N-乙酰-D-氨基葡萄糖(N-acetyl-D-glucosamine,GlcNAc)又称作N-乙酰-D-葡萄糖胺,是一种重要的功能性单糖,属于氨基葡萄糖(GlcN)乙酰化和壳聚糖(COS)的衍生物,同时也是细菌细胞壁肽聚糖、真菌细胞壁和动物细胞外基质的关键成分,普遍存在于动物、植物和微生物体中[1-2]。GlcNAc具有抗炎、抗氧化、抗癌和免疫调节等多种生理功能[3-6]。近年来,GlcNAc不仅作为药物用于多发性硬化症炎症和神经退行性疾病的预防与治疗,还广泛应用于食品添加剂、化妆品等领域[7-8]。长期的研究证实了GlcNAc是一种安全、无毒性作用和无致癌作用的化合物,目前已经在日本获得食品添加许可[9],我国也于2024年正式批准GlcNAc可以作为食品原料使用。然而,有关GlcNAc在畜牧生产方面的应用研究较少。因此,本文介绍了GlcNAc的生理功能及近年来在畜牧生产中的研究进展,以期为GlcNAc在畜牧生产中的合理应用提供参考。
1 GlcNAc概述
GlcNAc的传统提取方法包括化学水解法和酶解法,化学水解法主要是通过甲壳素的酸水解和离子交换膜电泳相结合或者几丁质水解制备GlcNAc,酶解法主要是使用几丁质溶解酶如内切几丁质酶分解几丁质获得GlcNAc[1]。然而以上2种方式存在成本较高、易造成环境污染、原料来源受限和不稳定等问题,已经很难满足日益增长的市场需求[12-13]。近年来,随着代谢构建和合成生物学的发展,微生物发酵法因不受原料限制、提取效率高和对环境污染小等优点越来越受到关注,已经获得广泛应用。微生物发酵法的主要原理是微生物以葡萄糖为底物经糖酵解生成前体物质果糖-6-磷酸,再经氨基葡萄糖-6-磷酸合成酶和氨基葡萄糖-6-磷酸乙酰转移酶催化合成乙酰氨基葡萄糖-6-磷酸,最终在去磷酸化的作用下生成GlcNAc[14]。微生物发酵法主要是通过对谷氨酸棒状杆菌等微生物进行基因工程改造,构建高产工程菌,以葡萄糖、玉米浆干粉等为原料,经发酵、过滤、浓缩等工艺制成GlcNAc,有效解决了传统生产方法带来的诸多问题,为GlcNAc的工业化生产带来了巨大的潜力[15]。
2 GlcNAc的生理功能及作用机制
2.1 抗衰老作用
透明质酸(HA)是哺乳动物细胞微环境和细胞外基质的主要和普遍成分,具有良好的保湿性以及抗皱性,而GlcNAc作为HA的前体之一,早已有文献报道其可促进HA的合成、加速伤口愈合、改善皮肤水合作用、减少黑色素以及皱纹的生成[16-19]。Bissett[19]研究表明,经口服天然GlcNAc能促进体内合成HA,并加快伤口愈合、改善皮肤水和程度以及减少皮肤细纹,GlcNAc能通过抑制体内酪氨酸酶的作用从而减少黑色素的生成。临床研究也表明,含有GlcNAc的紧致颈霜可显著改善肩部和颈部的色素沉着以及减少皱纹的出现,并表现出明显的抗衰老效果[20]。此外,金宛宛等[21]研究发现,不同浓度GlcNAc对小鼠B16黑素瘤细胞增殖有显著抑制作用,同时诱导细胞凋亡并抑制黑色素的生成,酪氨酸酶活性显著降低,说明GlcNAc抑制皮肤色素沉着的机制不仅是抑制酪氨酸酶活性,还可能通过促使细胞凋亡和抑制增殖而减少色素生成。综上所述,GlcNAc可通过抑制酪氨酸酶活性和B16黑素瘤细胞增殖,并诱导细胞凋亡来抑制黑色素、皱纹生成和改善色素沉着,从而发挥抗衰老作用。
2.2 抗氧化作用
氧化损伤的本质是细胞氧化应激过程中自由基累积过多,而细胞抗氧化能力相对不足,导致两者间氧化还原失去平衡,同时部分毒性活性氧(ROS)自由基诱导DNA、蛋白质和脂质结构发生改变,对细胞和组织造成损伤,甚至还可能会导致疾病的发生[22]。在GlcNAc抗氧化性能研究中,不同浓度GlcNAc在羟基自由基体系、亚油酸脂质过氧化体系、超氧阴离子自由基体系中都表现出一定的抗氧化能力,且在超氧阴离子自由基体系中表现出最大的抗氧化能力[23]。研究发现,GlcNAc在以剂量依赖性方式保护成骨细胞免受过氧化氢损伤中表现出了优异的抗氧化性能[24]。金黎明等[25]通过研究GlcNAc对四氯化碳(CCl4)诱导的小鼠肝损伤模型的保护作用及机制,发现相较于对照组,GlcNAc下调了小鼠血清谷丙转氨酶和谷草转氨酶活性,同时血清丙二醛(MDA)含量降低和肝脏总抗氧化能力升高,且提前给药GlcNAc对CCl4诱导的肝损伤起到有效保护,意味着GlcNAc可通过提高机体总抗氧化能力、抑制脂类过氧化而发挥保护作用。另有研究报道,GlcNAc可以缓解L-精氨酸诱导的大鼠急性胰腺炎(AP)引起的损伤,其作用机制可能是通过激活核因子E2相关因子2(Nrf2)/血红素加氧酶-1(HO-1)信号通路抑制大鼠血清中促炎因子肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-6(IL-6)、白细胞介素-1β(IL-1β)表达,并且促进巨噬细胞促炎型(M1型)向抗炎型(M2型)转化,在抑制炎症的同时又缓解了氧化应激,从而减轻AP的严重程度[5]。Hwang等[26]研究发现,GlcNAc可以提高暴露于中波紫外线(UVB)照射下的皮肤成纤维细胞活力,并抑制了ROS的产生,还抑制了UVB诱导的丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)/激活蛋白-1(AP-1)和核因子-κB(NF-κB)信号传导。此外,还有研究发现,COS减轻了小鼠严重急性胰腺炎(SAP)的严重程度和缓解了氧化应激,并伴有Nrf2/HO-1通路的激活以及抑制了NF-κB和MAPK信号通路,胰腺和回肠促炎细胞因子(TNF-α、IL-1β等)及MDA含量被下调,SOD活性被上调[27]。综上所述,GlcNAc可通过介导Nrf2/HO-1、MAPK和NF-κB信号通路下调促炎因子表达,降低MDA和ROS含量,抑制脂类过氧化,上调相关抗氧化酶活性,从而发挥抗氧化作用。
2.3 抗炎作用
除了抗氧化功能外,GlcNAc还有显著的抗炎活性,在其他多种炎症疾病中具有缓解作用。炎症反应是指机体受到感染或损伤时为清除病原体发生的一系列生理生化反应,然而长期或过强的炎症反应会导致动物机体损伤,从而影响动物生产性能、繁殖性能等。研究发现,GlcNAc可缓解尿毒症大鼠急性腹膜炎期间的炎症反应,表现为TNF-α、IL-1β等促炎因子以及单核细胞趋化蛋白1水平下调[28]。同时,GlcNAc可通过下调血清中促炎因子TNF-α、IL-6、IL-1β表达以及促进巨噬细胞极化由M1型转化成M2型,抑制炎症,以缓解大鼠AP的严重程度[5]。另有研究结果表明,补充GlcNAc会降低溃疡性结肠炎(UC)患者体内相关促炎细胞因子如干扰素-γ(IFN-γ)、白细胞介素-17A(IL-17A)、TNF-α分泌,并强化体内T辅助性1(Th1)/T辅助性17(Th17)型免疫应答,最终达到缓解和治疗UC的效果[29]。此外,在有些情况下,如急性血管损伤,GlcNAc可通过O-GlcNAc糖基化修饰抑制NF-κB信号通路,调控NF-κB多种上、下游因子,改变巨噬细胞极化及炎症反应过程,从而发挥抗炎作用[30-31]。综上所述,GlcNAc可通过介导NF-κB信号通路下调相关促炎因子水平来缓解炎症疾病的严重程度。
2.4 抗癌和免疫调节作用
早在1984年,GlcNAc能够提高人体免疫力的功效就有相关报道[6]。GlcNAc能够激活T淋巴细胞的钙离子(Ca2+)信号通路,促使T淋巴细胞发生增殖,能够特异性对抗相应的肿瘤细胞,进而增强免疫水平,对癌症和恶性肿瘤起到抑制或治疗作用[32]。研究证明,对乳腺癌细胞给药GlcNAc可以使恶性表型细胞凋亡,极大减少了肿瘤大小,并且有文献报道注射低聚乙酰氨基葡萄糖能明显抑制肿瘤细胞的转移,这些发现证明,GlcNAc是乳腺癌治疗的潜在抗肿瘤药物[33-34]。在小鼠流感感染模型中观察到,肠道微生物通过上调GlcNAc内源性表达,从而调节自然杀伤细胞活性以保护宿主免受流感侵害[35]。此外,α-1,4连接的GlcNAc被发现通过抑制黏蛋白1介导的信号传导来抑制胃癌的发展,以及可以对黏蛋白6进行糖基化以增强对胰腺癌恶性肿瘤的抑制作用,表明不同连接形式的GlcNAc可能对疾病的治疗效果不同[36-37]。以往的研究表明,GlcNAc的抗肿瘤作用是通过免疫调节作用间接实现,GlcNAc可通过活化免疫细胞、抑制肿瘤细胞增殖和转移、诱导肿瘤细胞坏死和凋亡、影响血管生成和增强宿主免疫等多种机制进而发挥抗肿瘤功能,并且GlcNAc的抗肿瘤和免疫调节作用具有剂量依赖性[38]。
2.5 调节肠道菌群作用
GlcNAc参与细菌细胞壁的构建,是肽聚糖的关键成分,也是宿主黏蛋白O-聚糖的主要成分[39]。在肠道中,随着微生物新陈代谢,部分GlcNAc在微生物细胞壁循环中被释放,另一部分由共生细菌(如拟杆菌和阿克曼菌)通过降解宿主聚糖产生[39-40]。当肠道中葡萄糖供应不足时,部分微生物可利用GlcNAc作为碳源来维持其代谢活动[41]。同时,GlcNAc也作为一种信号分子,以协调的方式调节多个细胞程序,从而最大限度地提高营养物质利用的效率。有研究发现,GlcNAc可作为营养物质可用性的信号,促使肠道共生菌白色念珠菌在营养物质丰富时在宿主中生长和生存[42]。Yang等[43]研究发现,GlcNAc还可作为胃肠道特异性信号经信号传导可使白色念珠菌能够在共生和发病机制之间取得平衡。另有研究报道,GlcNAc可促进白色念珠菌转化成适合在胃肠道定植和繁殖的杆状形态[44]。GlcNAc及其磷酸化衍生物也可作为相应转录效应子从而影响肠道长双歧杆菌对人乳低聚糖的利用[45]。此外,以GlcNAc和乳糖为原料合成的人源化低聚半乳糖可促进肠道有益微生物如双歧杆菌和阿克曼氏菌的生长[46]。综上所述,GlcNAc可作为碳源和信号分子,间接调控相关肠道菌群,从而改善肠道健康。
3 GlcNAc在疾病治疗上的应用
3.1 炎症性肠病(IBD)
IBD是一种慢性、复发性肠道炎症性疾病,包括UC和克罗恩病,病因复杂且潜在机制不明[47]。据报道,GlcNAc能改善肠道微生态环境,促进双歧杆菌生长,可用于治疗和预防肠道疾病[23]。在2000年时,就有研究证明GlcNAc是一种很有前途、成本低且无毒的IBD治疗药物,许多文献曾报道GlcNAc对UC的治疗以及作用机制,然而关于GlcNAc对克罗恩病有治疗效果的文献报道甚少[48]。作为IBD的一种,UC主要影响大肠,结肠被认为是UC的主要靶器官,研究发现UC在食管、胃和十二指肠黏膜损伤方面出现并发症[49]。补充GlcNAc可通过降低促炎因子含量、增强Th1/Th17型免疫应答,缓解或治疗UC的严重程度[29]。研究还发现,在葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎小鼠模型中,补充GlcNAc可通过改善血清白细胞分化抗原水平、紧密连接蛋白闭锁蛋白(occludin)表达、肠道通透性指标,降低炎症生物标志物(如IFN-γ)表达和肠道微生物致病菌比例,增强肠道屏障功能和维持肠道微生物群稳态来减轻炎症,进而缓解结肠炎[50]。综上所述,GlcNAc可通过增加肠道紧密连接蛋白表达、降低肠道通透性、降低促炎因子含量以及改善肠道微生物组成,发挥保护肠道健康和稳定肠道屏障功能,达到治疗UC的效果。
3.2 慢性关节疾病
骨关节炎(OA)又称骨关节病或者退行性关节病,是最常见的慢性肌肉骨骼疾病,由关节软骨退行性改变引起,主要表现为软骨退变、软骨下骨重塑以及滑膜炎症,导致关节功能衰退和生活能力下降[51-53]。目前,GlcN是国内治疗骨关节炎常用的药物之一,对软骨有保护作用,而GlcNAc作为稳定性更好的GlcN形式之一,研究表明,其可以通过诱导成骨细胞分化和抑制破骨细胞分化,增加骨基质沉积和减少骨吸收以调节OA骨代谢,最终达到治疗OA以及保护软骨的目的[54]。GlcNAc可通过细胞外信号调节激酶(ERK)信号通路激活自噬,并下调凋亡蛋白酶半胱天冬酶9的表达,减少软骨细胞的凋亡和基质降解来促进软骨再生[55]。另外,在一定程度上GlcNAc通过上调O-GlcNAc生成抑制NF-κB p65磷酸化,而NF-κB信号通路的激活被证明对破骨细胞生成很重要,进而抑制破骨细胞生成;也有其他研究报道GlcNAc可能通过调节糖胺聚糖生物合成影响破骨细胞生成,或是可能通过增加N-聚糖分支和抑制半乳糖的活性来抑制破骨细胞生成[56-59]。综上所述,GlcNAc可以通过诱导成骨细胞分化和抑制破骨细胞生成,介导NF-κB和ERK信号通路,发挥治疗骨关节炎和保护软骨等作用。
3.3 神经退行性疾病
神经退行性疾病是由神经元变性或髓鞘缺失而引起的慢性疾病,主要包括阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)和亨廷顿病等,其发病率与年龄相关,致残率和致死率高,对中老年患者来说是极其致命的[60]。据报道,GlcNAc是脑渗透性炎症、髓鞘形成和神经退行性变的三重调节剂[6]。在小鼠模型中的一项研究观察到,口服GlcNAc后其可以在体内通过抑制血小板源性生长因子受体α内吞作用并触发少突胶质细胞前体细胞分化,促进小鼠初级髓鞘形成和修复,防止脱髓鞘轴突损伤,从而预防神经轴突损伤,表明GlcNAc可能在脱髓鞘疾病如多发性硬化症中具有神经保护作用[61]。另有研究也提出,GlcNAc可减少促炎反应、促进髓鞘修复和减少神经变性,与一般的多发性硬化症,特别是进行性多发性硬化症有关,在临床多发性硬化症的治疗中具有很大潜力[62]。此外,研究发现,GlcNAc可增加体内T细胞中支链N-聚糖的表达,抑制Th1和Th17活性,并在发病后给药GlcNAc时减轻髓鞘少突胶质细胞糖蛋白诱导的过继转移试验性自身免疫性脑脊髓炎临床严重程度,同时下调IFN-γ、TNF-α、IL-17A和白细胞介素-22的分泌[63]。综上所述,GlcNAc可有效缓解神经退行性疾病,可作为治疗神经退行性疾病的潜在靶点。
4 GlcNAc在畜牧生产中的应用
在我国实施禁抗后,GlcNAc作为一种低成本且副作用小的天然产物,拥有多种生理功能,具有广阔的开发前景。当前,针对GlcNAc的研究和应用主要集中基于小鼠模型的治疗关节炎、保护神经、抗癌等生理功能与医疗、制药领域,对于有关在畜牧生产中的应用目前还处于探索阶段。
4.1 GlcNAC在猪生产中的应用
目前,GlcNAc在猪生产中的应用较多,研究发现,GlcNAc可有效缓解断奶应激对断奶仔猪带来的损伤,并且通过调节断奶仔猪肠道干细胞活性来改善肠道的生长发育,提高肠道的消化吸收能力,这表明在仔猪断奶阶段,GlcNAc通过对肠道消化功能的改善,缓解了断奶应激带来的肠道损伤,这个改善可能会对猪的生长性能产生积极影响,当然断奶应激还可能导致免疫系统功能障碍等其他损伤,在这个过程中GlcNAc还可能发挥了免疫调节、抗炎等作用,后续研究可着重关注GlcNAc对猪的生长性能、肠道消化功能、免疫功能等影响[64]。此外,补充GlcNAc可增加猪卵母细胞卵黄周围间隙厚度,使卵母细胞在成熟第2阶段或全部成熟过程中多精子渗透率显著降低,在成熟过程中添加GlcNAc显著增加了卵母细胞体外成熟后48 h裂解胚胎的百分比和144 h形成的囊胚的百分比[65]。Lee等[66]研究发现,添加GlcNAc降低了猪卵母细胞内ROS含量以及改善了卵母细胞的皮质颗粒,并对孤雌生殖和体细胞核移植后卵母细胞体外成熟和胚胎发育有有益影响。关于GlcNAc在猪繁殖性能上的应用,其可能是通过发挥抗氧化、抗炎作用提高了卵母细胞体外成熟率,进而提高了早期胚胎活力和发育,未来或许可以将GlcNAc应用在其他畜种的卵母细胞培养和胚胎发育,以提高体外繁殖效率。
4.2 GlcNAc在家禽生产中的应用
GlcNAc在家禽生产中的直接应用报道较少,但有研究发现,酸性几丁质酶在鸡的胃组织中高度表达,它可以帮助家禽消化胃肠道中的几丁质,黄粉虫幼虫的壳能够在几丁质酶作用下降解产生GlcNAc,使鸡的整体健康状况和生产性能得到改善,这一发现也使得含有甲壳素的生物体不仅可以作为完整的食用资源,还可以作为其营养价值的增强剂[67-68]。Li等[69]研究发现,在肉鸡饲粮中补充的壳寡糖(由GlcNAc构成的低聚糖)可通过增加肉鸡平均日采食量和其对能量、钙和磷的消化率,以及调节盲肠微生物菌群来提高肉鸡平均日增重,同时降低了血脂和改善了蛋白质合成代谢,最终提高了肉鸡的生长速度。此外,Yu等[70]研究发现,COS可与其他物质联合使用防治艾美球菌,并且比单独使用具有更好的预防和治疗益处,可用作家禽球虫病的替代预防策略。尽管GlcNAc在家禽生产中的应用较少,但有文献结果表明,GlcNAc可以通过改善肠道菌群、肠道消化功能来提高鸡的生产性能,加快生长速度,并且可预防家禽球虫病。今后可探索GlcNAc在蛋鸡生产上是否有提高产蛋性能、蛋品质等效果,并进一步研究GlcNAc通过哪些机制发挥调节肠道菌群等作用。
4.3 GlcNAc在反刍动物生产中的应用
5 小结与展望
GlcNAc具有抗衰老、抗炎、抗氧化、抗癌和免疫调节等生理功能,在我国实行禁抗的背景下,GlcNAc作为无毒性、低成本且副作用少的天然产物,具有广阔的开发前景。未来还需要大量研究明确GlcNAc在不同动物不同生理阶段的适宜添加量以及对动物生产的实际影响,进一步探索GlcNAc与其他动物饲料添加剂的协同或者拮抗作用。因此,在今后的研究中应重点围绕GlcNAc在鸡、猪、牛、羊等动物生产中的应用开展动物试验,运用代谢组学、转录组学等生物技术,获得更多科学试验数据,进一步揭示阐明GlcNAc的作用机制,为我国畜牧业绿色可持续发展提供更可靠的科学依据。