多胺是一种脂肪胺,在生理pH下带正电荷,能够与细胞内DNA、RNA和蛋白质等带负电荷的大分子物质之间产生静电而相互作用,是细胞生长、分化和凋亡的关键调节因素[1]。多胺主要包括腐胺、亚精胺和精胺,除了古菌域的甲烷杆菌目和嗜盐菌目外,多胺存在于所有物种中[2]。腐胺、亚精胺和精胺按照化学结构划分,分别属于二元胺、三元胺和四元胺。由于多胺独特的生理功能,以及存在的广泛性和重要性,决定了其在糖、脂肪和能量稳态的调节中也发挥重要作用。多胺分解代谢的增强改变白色脂肪组织质量、能量消耗和葡萄糖代谢的稳态控制[3]。多胺参与细胞的成脂作用,精胺与亚精胺的比例和多胺代谢酶活性都可能影响脂肪形成[4]。以上研究提示多胺在脂质代谢中发挥重要作用,因此深入了解多胺对脂质代谢的影响和调控机制,并应用于畜禽脂肪沉积的调控,可有效改善肉品质,降低饲养成本,提高畜牧业效益,也对治疗肥胖及其相关代谢疾病具有借鉴意义。
1 多胺的来源、功能以及测定
哺乳动物体内的多胺主要来自食物、细胞合成和肠道微生物合成。不同食物中的多胺总量存在差异,人类食用的主要植物源性食品中,玉米籽粒的多胺总量最高,其次是大豆、红薯、开心果、土豆、花生、小麦粉和白米[5]。不同食物中,不同类型的多胺含量也存在差异,水果和奶酪的腐胺含量较高,蔬菜和肉类的精胺和亚精胺含量较高[6]。哺乳动物补充多胺或其前体物能够提高其体内多胺含量。L-脯氨酸是鸟氨酸的前体物,鸟氨酸在体内经过合成转化为多胺。研究表明,妊娠母猪饲粮中添加1%的L-脯氨酸,可以调节动物体内多胺的合成和生物利用度,有利于促进胎儿生长和肠道上皮细胞的增殖[7]。细胞可以合成多胺,细胞以鸟氨酸为底物,在一系列多胺合成相关酶的作用下合成腐胺、亚精胺和精胺,详细过程见图1[1,8]。肠道微生物可通过代谢未消化的蛋白质,产生小分子代谢物多胺[9]。
图1 多胺的生物合成、分解代谢等关键途径Arginine:精氨酸;Arginase:精氨酸酶;Ornithine:鸟氨酸;ODC:鸟氨酸脱羧酶 ornithine decarboxylase;OAZ1:鸟氨酸脱羧酶抗酶1 ornithine decarboxylase antizyme1;Putrescine:腐胺;SRM:亚精胺合成酶 spermidine synthase;Spermidine:亚精胺;SMS:精胺合成酶 spermine synthase;SMO:精胺氧化酶 spermine oxidase;Spermine:精胺;SSAT:亚精胺/精胺-N1-乙酰基转移酶 spermidine/spermine N1-acetyltransferase;N1-acetylspermine:N1-乙酰精胺;PAO:多胺氧化酶 polyamine oxidase;N1-acetylspermidine:N1-乙酰亚精胺;Acetyl-CoA:乙酰辅酶A;Glucose:葡萄糖;Glycolysis:糖酵解;Long chain FA:长链脂肪酸;Fatty acid β-oxidation:脂肪酸β氧化。 Fig.1 Polyamine biosynthesis, catabolism and other key related pathways[1,8] |
膳食多胺是调控小肠和结肠黏膜生长发育的必需生长因子[10],在哺乳动物的健康和肠道组织的发育、修复中发挥重要作用。精胺含有2个氨基和2个亚氨基,是体内多胺合成的末端胺。长期供应富含多胺的食物会逐渐提高人类血液中精胺含量[11]。研究表明,人类膳食多胺的摄入量与患结直肠癌存在一定关系,总多胺、腐胺和亚精胺的摄入量越高,精胺的摄入量越低,则患结直肠癌的风险越低[12]。在哺乳仔猪的基础配方乳中添加0.4 mmol/kg的精胺可通过增强其抗氧化能力、改善回肠屏障功能、调节代谢特征和维持大肠微生物平衡来保障回肠健康[13]。此外,饮水中添加精胺还可以促进哺乳仔猪肠道发育,保护其肠道屏障的完整性[14-15]。
多胺负责细胞生长、分化、凋亡、蛋白质合成、离子通道、基因调控和其他生物学功能[16-17],检测和监测细胞内多胺含量具有重要的意义。细胞内多胺含量的改变被认为是癌症早期的生物标志物[18]。目前,已有多种多胺检测方法,如高效液相色谱法(HPLC)、酶联免疫吸附分析法(ELISA)、质谱法(MS)与气相色谱(GC)或液相色谱(LC)联用、荧光法等[19⇓-21],HPLC常用于畜禽肉及其制品中多胺含量的检测。随着检测方法的不断改进,研究人员开发出了一种电喷雾-四极杆-飞行时间质谱联用(ESI-Q-TOF-MS)技术[22],该方法通过利用稳定同位素内标来确定细胞多胺池的组成和多胺代谢相关酶的活性[23-24],全面分析多胺代谢途径中涉及的代谢物和酶,以获得多胺代谢的概貌和多胺的动力学信息。
2 多胺的代谢与调节
哺乳动物细胞中合成的多胺主要包括腐胺、亚精胺和精胺[25]。鸟氨酸脱羧酶(ornithine decarboxylase,ODC)和S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶(S-adenosylmethionine decarboxylase,AdoMetDC)是多胺合成代谢的关键酶。ODC是合成腐胺的关键酶,AdoMetDC是合成亚精胺和精胺的关键酶。腐胺是以鸟氨酸为底物,在ODC的作用下脱羧生成。ODC作为同源二聚体发挥作用,2种单体都为催化中心提供残基,其调节部分属于负反馈机制,且很大程度上是翻译后和间接的调节,这种负反馈机制能够维持细胞中多胺的动态平衡[26]。研究发现,ODC活性缺陷的细胞系在不加入腐胺培养的条件下,其ODC合成率显著增加,但与ODC mRNA水平的变化并不相关,这可能与ODC的合成受到反馈机制调节有关[27]。鸟氨酸脱羧酶抗酶1(ornithine decarboxylase antizyme 1,OAZ1)抑制ODC的活性,OAZ1与ODC亚基之一结合形成异源二聚体,然后呈递至26S蛋白酶体进行非泛素依赖性蛋白降解[28]。OAZ1还调节多胺的摄入,多胺通过提高阅读OAZ1 mRNA终止密码子所需的+1移码效率,从而允许合成全长OAZ1蛋白质,全长OAZ1蛋白质与多胺形成(OAZ1)2-多胺复合体,抑制多胺摄入[29]。鸟氨酸脱羧酶1(ornithine decarboxylase 1,ODC1)基因编码ODC,杂合基因敲除小鼠ODC1缺失,小鼠的体重和脂肪含量将显著降低[30-31]。
3 多胺在脂质代谢中的生理功能
3.1 影响脂肪细胞分化
3.2 影响脂质代谢
多胺对脂质代谢的调控涉及多个途径,与机体全身代谢系统的改变密切相关。高脂饮食诱导的肥胖小鼠口服亚精胺,基于高脂和亚精胺诱导的细胞紊乱的相互作用,增强了高脂饮食引起的心肌细胞脂质堆积和间质纤维化[39]。口服亚精胺减轻高脂饮食小鼠的肥胖、胰岛素抵抗和肝脏脂肪变性,可能是由于亚精胺增加了神经细胞中酪氨酸羟化酶的表达和去甲肾上腺素的产生,然后通过下丘脑依赖或非下丘脑依赖的棕色脂肪组织的激活和骨骼肌适应来减轻肥胖和代谢紊乱[40]。注射亚精胺对正常营养状况小鼠的代谢影响很小,但促进高脂饮食小鼠内脏脂肪脂解,调节其代谢以抵抗肥胖[41]。亚精胺对脂质代谢的调节可能还具有饮食依赖性,正常、高蔗糖和高脂饮食的小鼠分别饲喂亚精胺后,正常饮食的小鼠脂肪组织和体重降低,高蔗糖和高脂饮食的小鼠均未观察到脂肪组织的改变,不同营养方案下产生的不同结果,可能与饮食中过量的碳水化合物和脂肪额外刺激了肝脏的脂质平衡,口服亚精胺剂量较小,可能不能达到影响脂质代谢特定所需的多胺含量[42]。综上表明,亚精胺可以影响高脂诱导肥胖小鼠的脂质代谢,促进心肌细胞的脂质堆积,减轻肝脏组织的脂肪变性和抵制小鼠肥胖,具有组织特异性。同时,亚精胺对脂质代谢的调节可能还具有饮食依赖性和剂量需求性。
精胺通过增加脂肪分解和游离脂肪酸的释放来促进脂质分解[43]。高脂小鼠腹膜腔注射精胺,观察到小鼠肝脏和肌肉脂肪酸氧化关键基因、白色脂肪组织有关脂解基因上调,显著降低附睾脂肪质量和体重,提高葡萄糖利用率和改变代谢表型,这可能与加速多胺分解代谢循环有关[43]。前人研究发现,多胺可能在大鼠脂肪组织甘油三酯的形成中也发挥重要作用,且精胺激活甘油三酯合成的作用强于亚精胺,腐胺则不诱导甘油三酯合成[44]。精氨酸是多胺合成的前体物,精氨酸在精氨酸酶的催化下转化成鸟氨酸,以鸟氨酸作为底物进行后续的多胺合成[45]。在大西洋鲑鱼幼鱼饲料中添加不同比例的精氨酸,可增加鱼体内蛋白质和脂肪的积累,但不影响肝体或内脏的肉体指数;激活鲑鱼肝脏中的多胺代谢和β-氧化,可能改善鱼类的代谢状况[46]。综上表明,精胺对脂质代谢的调节具有双重作用,既可以促进脂质分解,又可以激活脂肪组织甘油三脂的合成。多胺前体物能影响多胺代谢,进而影响脂质代谢。
表1 多胺对代谢途径的影响Table 1 Effects of polyamine on metabolic pathways |
| 模型 Models | 干预措施(药物/剂量) Interventions(drug/dose) | 结果 Result | 参考文献 References |
|---|---|---|---|
| C57BL/6N雄性小鼠 C57BL/6N male mice | 饮水,3 mmol/L亚精胺 | 增强了心肌细胞的脂肪堆积和间质 纤维化,但这一作用被自愿活动所抵消 | [39] |
| C57BL/6雄性小鼠 C57BL/6 male mice | 饮水,4 mmol/L亚精胺 | 降低高脂饮食小鼠的增重,减轻胰岛素抵抗、 肝脏脂肪变性和白色脂肪组织的炎症 | [40] |
| C57BL/6小鼠 C57BL/6 mice | 注射50 mg/(kg·d)亚精胺 | 通过增加内脏脂肪的脂解作用 来对抗高脂饮食导致的肥胖 | [41] |
| C57BL/6N雄性小鼠 C57BL/6N male mice | 饮水,3 mmol/L亚精胺 | 在生理营养条件下显著降低体脂和体重,在高蔗糖 摄入量条件下对体重和血糖有积极作用 | [42] |
| C57B6J雄性小鼠 C57B6J male mice | 灌服,5和10 mg/kg精胺 | 提高葡萄糖利用率, 降低血糖和体重 | [43] |
| 大鼠 Rats | 精胺或亚精胺 | 精胺刺激三酰甘油的生成作用强于亚精胺, 腐胺不能刺激三酰甘油的生成 | [44] |
| SD雄性大鼠 SD male rats | 4 mmol/L亚精胺 | 亚精胺在体内对糖化血红蛋白和脂质 过氧化具有抑制作用 | [47] |
4 多胺调控脂质代谢的机制
4.1 多胺代谢酶调节脂肪形成
机体内多胺水平受到参与代谢的酶和机体的反馈机制调节。多胺代谢在调节能量消耗和肥胖方面发挥着重要作用。SSAT是多胺分解代谢的限速酶,其控制亚精胺和精胺的分解代谢,通过调节多胺的输出和分解代谢参与多胺的动态平衡。Yuan等[48]将SAT1-FLOX/FLOX小鼠与脂联素-Cre小鼠杂交产生了脂肪特异SSAT基因敲除小鼠,并对该基因敲除小鼠的腹股沟脂肪组织进行原代细胞的分离,在体内外研究中均发现SSAT激活在米色脂肪细胞生物发生和低度炎症中起关键作用。在SSAT过表达小鼠的白色脂肪组织中,激活的多胺代谢影响能量代谢,增加线粒体数量,降低白色脂肪组织的重量,并保护小鼠免受高脂饮食诱导的肥胖[49]。在SSAT基因过表达或敲除的小鼠模型中发现,SSAT通过组织乙酰CoA和丙二酰CoA来改变体内脂肪的积累,进而影响脂肪酸的生物合成和氧化[50]。SSAT还能够通过调节乙酰CoA来调节小鼠白色脂肪组织的葡萄糖动态平衡,进而改变体内脂肪的积累[51]。综上所述,SSAT作为多胺代谢和脂肪生成之间重要且新的代谢联系,可能作为多胺调控脂质代谢的分子靶点。
4.2 多胺影响脂质代谢通路
4.2.1 腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)
长链脂肪酸在线粒体基质中发生β氧化生成乙酰CoA,乙酰CoA进入Krebs循环降解或者转化成丙二酰CoA用于脂肪酸合成[45]。多胺分解代谢循环的增加,乙酰CoA外流,导致脂肪分解增加和游离脂肪酸的释放[43],从而大大减少细胞的能量储备,较低的能量状态将激活能量消耗调节因子AMPK[54]。过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共激活因子-1α(PGC-1α)是线粒体生物发生和能量消耗调节因子,在SSAT过表达的小鼠模型中发现,多胺分解代谢的持续激活,刺激AMPK激活,进而导致白色脂肪组织中的PGC-1α激活,从而使白色脂肪组织质量减轻,线粒体数量增加,基础代谢率提高,保护小鼠免受高脂饮食诱导的肥胖[49]。
4.2.2 哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)
4.2.3 转录因子CCAAT区/增强子结合蛋白(C/EBP)
多胺代谢似乎与C/EBP具有密切的关系。3T3-L1前脂肪细胞分化过程中多胺缺乏会抑制有丝分裂和脂肪形成主要调节因子过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)和C/EBPα的表达,其结果与多胺耗竭导致C/EBPβ失活有关[58]。外源性精胺具有抑制小鼠脂肪细胞分化的作用,可能是精胺抑制了脂肪细胞分化重要转录因子C/EBPα mRNA的表达,延迟了细胞分化[36]。亚精胺在3T3-L1细胞分化中直接或间接地阻止酸性核酸蛋白32A(acidic nuclear phosphoprotein 32,ANP32)与RNA结合蛋白人类抗原R(human antigen,HuR)和蛋白磷酸酶2A(protein phosphatase 2A,PP2A)的联系,进而促进C/EBPβ翻译,从而促进3T3-L1细胞的脂肪生成[59]。Ⅰ型糖尿病大鼠外源给予精胺,可以通过抑制内质网应激相关蛋白(例如C/EBP),改善多胺代谢紊乱带来的负面影响,发挥心肌保护作用[60]。
5 小结与展望
体内和体外研究结果一致表明,在生理(非肥胖)条件下和饮食诱导的肥胖模型中,多胺的分解代谢增强对代谢途径具有有益影响。这些有益的影响通过多种机制发挥作用,包括调节基因表达、改善葡萄糖和脂质代谢、增强能量代谢。同时,进一步的研究应该更深入地探索多胺代谢与畜禽体内脂肪沉积的关系。SSAT作为多胺代谢和脂肪生成之间重要且新的代谢联系,是否通过改变该基因的表达来调节肌内脂肪的沉积。添加精胺或亚精胺是否影响动物机体内的多胺代谢,并对机体内脂质代谢和能量代谢产生影响。多胺代谢与脂质代谢密切相关,通过研究的深入和完善,有望实现利用多胺代谢调节畜禽脂肪沉积。