高玉云 畢英佐 謝青梅 馬靜云

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,廣州 510642）

類胡蘿卜素（carotenoid）是一類廣泛存在于自然界的有色物質(zhì),它不僅是畜禽維生素A的重要來源,而且在體內(nèi)還具有重要的生物學(xué)功能。通常人們將類胡蘿卜素分成2類:第1類是不含氧原子的胡蘿卜素類（只含有碳、氫）,主要有α-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素、番茄紅素等;第2類是含有氧原子的葉黃素類（xan thophylls,含有碳、氫、氧）,包括葉黃素、玉米黃素等。此外,根據(jù)類胡蘿卜素是否具有維生素A原的活性和著色能力,可以分為4類:1）無著色能力的維生素A原,如β-胡蘿卜素;2）可著色的維生素A原,如隱黃質(zhì)和斑蝥黃;3）不可著色的非維生素A原,如新黃質(zhì);4）可著色的非維生素A原,如葉黃素、玉米黃素。在禽類的實(shí)際生產(chǎn)中,主要添加的是含氧類胡蘿卜素,包括葉黃素、玉米黃素和斑蝥黃。通常在飼養(yǎng)的禽類中添加葉黃素可以增加膚色和蛋黃顏色,以滿足消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的要求。近年來,有試驗(yàn)研究表明類胡蘿卜素在機(jī)體抗氧化和免疫、細(xì)胞增殖和分化調(diào)控、基因表達(dá)、信號(hào)傳導(dǎo)和細(xì)胞間隙連接通訊等方面都有重要作用[1]。

1 類胡蘿卜素的消化吸收和代謝轉(zhuǎn)運(yùn)

類胡蘿卜素和飼糧中的其他脂類物質(zhì)一起在腸道經(jīng)膽汁乳化形成乳糜,然后由腸黏膜細(xì)胞吸收。關(guān)于類胡蘿卜素裂解、消化吸收、代謝轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的研究,主要集中于β-胡蘿卜素。β-胡蘿卜素15, 15'-單氧酶（β-carotene 15,15'-m onooxygenase, BCMO1）是將具有維生素A原活性的類胡蘿卜素轉(zhuǎn)化成視黃醛的關(guān)鍵酶,可以將β-胡蘿卜素裂解成視黃醛,而不產(chǎn)生阿樸胡蘿卜醛[2]。雖然BCMO1已經(jīng)發(fā)現(xiàn)近40年了,但是直到最近在雞[3-4]、小鼠[4-6]、果蠅[7]和人[8]上成功克隆到編碼此酶的cDNA后才純化到此酶。BCMO1在雞的十二指腸、肝臟、腎臟、脾臟和肺臟都有表達(dá)。第2個(gè)涉及類胡蘿卜素代謝的是β-胡蘿卜素9',10'-雙氧酶（β-carotene 9',10'-dioxygenase,BCDO2）,它可以通過非中心裂解方式將β-胡蘿卜素裂解成10'-阿樸胡蘿卜醛和β-紫羅酮。阿樸胡蘿卜醛通過β氧化縮短,因而1分子的β-胡蘿卜素通過非中心裂解方式形成1分子的視黃酸。

Barua等[9]在大鼠上的研究表明β-胡蘿卜素的中心裂解是產(chǎn)生維生素A的主要途徑,而非中心裂解產(chǎn)生的阿樸胡蘿卜醛小于5%。早期以為中心裂解酶的生化特性是一種雙氧酶反應(yīng)機(jī)理,近來的研究證明β-胡蘿卜素的中心裂解是一種單氧酶機(jī)理[2]。

1.1 類胡蘿卜素在腸道的消化吸收

在腸道,β-胡蘿卜素的吸收依賴于3個(gè)步驟: 1）腸細(xì)胞刷狀緣膜水平上的吸收,部分通過膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)載體和被動(dòng)擴(kuò)散吸收[10]。2）部分吸收的β-胡蘿卜素被酶轉(zhuǎn)化成視黃醛,包括通過BCMO1的中心裂解和BCDO2的非中心裂解[11]。此外,腸細(xì)胞β-胡蘿卜素裂解的程度在不同種類的動(dòng)物是不同的,人和一些動(dòng)物如雪貂可以吸收大量完整的β-胡蘿卜素,而嚙齒類動(dòng)物則不能[12]。視黃醛通過視黃醛脫氫酶（retinal dehydrogenases,RDHs）代謝成視黃醇,之后通過卵磷脂視黃醇?；D(zhuǎn)移酶（lecithin retinolacyl transferase,LRAT）和?；o酶A視黃醇?；D(zhuǎn)移酶（acyl-CoA retinol acyl transferase,ARAT）酯化成視黃酯[13]。視黃酯以及未轉(zhuǎn)化的β-胡蘿卜素之后形成乳糜微粒[14]。一小部分的視黃醛通過RDHs被氧化成視黃酸（retinoid acids）。而阿樸胡蘿卜醛的代謝途徑還不清楚,但是一部分可能被氧化成相關(guān)的阿樸視黃酸[12]。3）乳糜微粒與飼糧中的脂肪進(jìn)入淋巴循環(huán)。此外,更多的親水復(fù)合物,如非酯化的視黃醇和視黃酸,直接分泌進(jìn)入血液[15]。

由于BCDO2的生理功能仍然未知,故推測(cè)BCDO2可能作為BCMO1缺乏時(shí),從維生素A原形成維生素A的替代路徑。為了驗(yàn)證這種可能, Hessel等[16]用敲除BCMO1基因的小鼠做了試驗(yàn),結(jié)果表明,飼喂含β-胡蘿卜素飼糧（飼糧中維生素A含量極低）的敲除BCMO1基因的小鼠在組織中積累了β-胡蘿卜素,而且血漿中的β-胡蘿卜素比飼喂相同飼糧的野生型小鼠高35倍。此外,敲除BCMO1基因的小鼠不能從β-胡蘿卜素產(chǎn)生維生素A。敲除BCMO1基因的小鼠內(nèi)臟脂肪組織中BCDO2m RNA的表達(dá)也未升高,說明酶的非中心裂解并不是維生素A原形成維生素A的替代途徑。所以到現(xiàn)在為止,還沒有對(duì)BCDO2生理功能的合理解釋[12]。

在小鼠上,BCMO1是過氧化物酶體增殖激活受體（peroxisome pro liferator activated recep tor, PPARγ）的靶基因。過氧化物酶體增殖反應(yīng)元件（peroxisome p ro lifera tor response elemen t, PPRE）位于BCMO1基因的啟動(dòng)子區(qū)域,PPRE是PPARγ的識(shí)別位點(diǎn),也是BCMO1基因的重要調(diào)控器。此外,維甲酸X受體（retinoic acid X receptors,RXRs）的同源二聚體或PPAR/RXRs異源二聚體對(duì)于BCMO1的轉(zhuǎn)錄是必需的[17],其中異源二聚體對(duì)于啟動(dòng)BCMO1的轉(zhuǎn)錄最有效。營養(yǎng)狀態(tài)可以顯著影響B(tài)CMO1的活性[18]?，F(xiàn)已證實(shí)β-胡蘿卜素的轉(zhuǎn)化效率至少部分與機(jī)體維生素A狀態(tài)相關(guān)[19],這可能與視黃酸對(duì)BCMO1 m RNA表達(dá)的負(fù)反饋相關(guān)[20-21]。在大鼠,維生素A缺乏組BCMO1的活性是對(duì)照組的2倍多,而低蛋白質(zhì)飼糧組BCMO1的活性只有對(duì)照組活性的25%[18]。在雞和大鼠上,視黃酸的添加可以降低腸道BCMO1的活性,并下調(diào)BCMO1mRNA的水平[2]。大鼠飼喂維甲酸受體α（retinoic acid receptorα,RARα）的拮抗劑會(huì)導(dǎo)致BCMO1活性有所增加[22]。此外,氨基酸順序的比較研究表明人、大鼠、雞和果蠅的BCMO1有大體的序列同源性[8]。

1.2 類胡蘿卜素的代謝轉(zhuǎn)運(yùn)

視黃醇大部分以脂肪酸酯的形式存儲(chǔ)在細(xì)胞中（主要是肝臟星狀細(xì)胞）。視黃醇可以結(jié)合到血漿視黃醇結(jié)合蛋白（retino l binding p rotein,RBP4）以視黃醇-RBP4復(fù)合物的形式分泌入血液,此過程受到緊密調(diào)控以保持其在血漿濃度中的恒定性[12]。RBP4是血漿中視黃醇的主要轉(zhuǎn)運(yùn)載體,并將視黃醇轉(zhuǎn)運(yùn)到靶組織[23-24]。此外,視黃醇亦是儲(chǔ)存在禽蛋中最主要的類維生素A,并通過血漿RBP4轉(zhuǎn)運(yùn)。STRA 6是一組可以由視黃酸誘導(dǎo)的基因,該組基因可以表達(dá)跨膜蛋白質(zhì)和其他蛋白質(zhì),這些蛋白質(zhì)的作用還不是很清楚[25]。STRA 6是視黃醇-RBP4復(fù)合物的特異性受體,位于靶組織的細(xì)胞膜上。人的STRA6特異性與RBP4結(jié)合并介導(dǎo)視黃醇的轉(zhuǎn)運(yùn)和吸收[25-26]。之后在靶細(xì)胞內(nèi),視黃醇結(jié)合到細(xì)胞內(nèi)的RBP1（或RBP2）,然后視黃醇-RBP1復(fù)合物通過LRAT將視黃醇轉(zhuǎn)化成視黃酯,或者通過脫氫酶的作用將視黃醇氧化成視黃醛和視黃酸,從而調(diào)控視黃醇的代謝。RBP1和LRAT在視黃醇的酯化過程中起重要作用,且它們?cè)诟涡菭罴?xì)胞高度表達(dá)[27]。

2 類胡蘿卜素參與基因代謝的調(diào)控

通過RDHs催化,視黃醇可逆地代謝成視黃醛,視黃醛可以氧化成視黃酸。視黃酸可調(diào)控哺乳動(dòng)物基因的表達(dá),主要是通過調(diào)節(jié)2種類型的核激素受體:RXRs（RXRα、RXRβ和RXRγ）和RARs （RARα、RARβ和RARγ）。RXRs可以對(duì)9-順式視黃酸產(chǎn)生反應(yīng),RARs可以對(duì)全反式視黃酸和9-順式視黃酸產(chǎn)生反應(yīng)。這些核受體對(duì)機(jī)體的穩(wěn)態(tài)有廣泛的調(diào)節(jié)作用。RXRs可以和其他Ⅱ型核受體（如甲狀腺激素受體、維生素D受體、PPAR、法尼酯X受體和肝X受體）一起作用從而產(chǎn)生多種生物學(xué)功能[28]。同樣的,RARs和RXRs通過異源二聚體作用也可以產(chǎn)生多種生物學(xué)效應(yīng),調(diào)控形態(tài)發(fā)生、器官發(fā)生到細(xì)胞生長(zhǎng)、分化和凋亡。此外,非中心裂解產(chǎn)物β-阿樸-14'-胡蘿卜醛（而不是β-阿樸-8'-胡蘿卜醛和β-阿樸-12'-胡蘿卜醛）可以通過抑制PPARα、PPARγ和RXRs的激活,從而抑制前脂肪細(xì)胞的分化[29]。因此,β-阿樸-14'-胡蘿卜醛、視黃醛和視黃酸在調(diào)控核受體的活性中起重要作用。

3 類胡蘿卜素的抗氧化/促氧化作用和免疫調(diào)節(jié)作用

3.1 類胡蘿卜素的抗氧化/促氧化作用

許多試驗(yàn)觀察到了類胡蘿卜素的抗氧化和促氧化作用,一些試驗(yàn)同時(shí)觀察到了這2種作用[30]。β-胡蘿卜素的抗氧化與促氧化效果可能依賴于氧壓和β-胡蘿卜素的濃度。Zhang等[31]測(cè)定了β-胡蘿卜素、α-生育酚和維生素C在不同的氧壓下對(duì)人肺細(xì)胞的抗氧化和促氧化作用。試驗(yàn)表明,在低氧條件下,3種物質(zhì)都產(chǎn)生濃度依賴性抗氧化效果。但在高氧壓時(shí),β-胡蘿卜素表現(xiàn)出了促氧化作用,而α-生育酚和維生素C的抗氧化作用在高氧壓時(shí)也減弱。此外,類胡蘿卜素與維生素E和維生素A之間存在相互作用[32]。β-胡蘿卜素和維生素E、葉黃素和維生素E的混合物可以更有效地抑制氫過氧化物形成[33]。

一些流行病學(xué)的研究表明β-胡蘿卜素對(duì)肺癌的發(fā)生有負(fù)面作用[34]。β-胡蘿卜素對(duì)吸煙者的負(fù)面作用可能與膳食中添加了大量的β-胡蘿卜素以及吸煙者肺中產(chǎn)生的大量自由基有關(guān)[35]。一些學(xué)者推測(cè)添加高劑量的β-胡蘿卜素和吸煙會(huì)造成RARβ基因表達(dá)的抑制和AP-1的過表達(dá),導(dǎo)致類維生素A的信號(hào)減弱,從而形成肺腫瘤[34]。此外, β-胡蘿卜素的氧化產(chǎn)物（如β-阿樸胡蘿卜醛和β-胡蘿卜素環(huán)氧化物）可以通過某些方面促進(jìn)肺腫瘤生成,如視黃酸分解代謝的增強(qiáng)[36]、RARβ的下調(diào)和原癌基因（c-jun和c-fos）表達(dá)的上調(diào)[35]。

因此,類胡蘿卜素的抗氧化和促氧化結(jié)果的不同可能與以下原因相關(guān):1）體外試驗(yàn)中溶解類胡蘿卜素使用的溶劑不同;2）誘導(dǎo)氧化應(yīng)激所使用的方法不同;3）其他抗氧化的使用（維生素C和維生素E）;4）試驗(yàn)中所使用的動(dòng)物不同;5）測(cè)定各種類胡蘿卜素效果的方法和指標(biāo)不同;6）在不同的氧壓下觀察到的效果不同。

3.2 類胡蘿卜素對(duì)免疫功能的影響

免疫細(xì)胞類胡蘿卜素的含量可能會(huì)影響其免疫應(yīng)答。例如,單核細(xì)胞β-胡蘿卜素的含量是其他非免疫組織的10倍[37]。因此,免疫細(xì)胞含有大量飼糧或胚胎來源的類胡蘿卜素,可能對(duì)其炎癥免疫應(yīng)答起重要作用。此外,由各種抗原導(dǎo)致的機(jī)體炎癥和體液免疫應(yīng)答等免疫激活會(huì)降低血液循環(huán)中的類胡蘿卜素水平[38-41]。

關(guān)于類胡蘿卜素對(duì)免疫功能影響的研究大量集中在β-胡蘿卜素。β-胡蘿卜素可以刺激大鼠、豬和牛淋巴細(xì)胞的增殖[42]。在人的研究上,β-胡蘿卜素的添加可以增加輔助性T細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞的數(shù)量、增強(qiáng)自然殺傷細(xì)胞的活性[37]。在體外,β-胡蘿卜素可以誘導(dǎo)倉鼠巨噬細(xì)胞產(chǎn)生腫瘤壞死因子-α（TNF-α）。給圍產(chǎn)期的牛飼喂β-胡蘿卜素,可以增強(qiáng)血液中的中性粒細(xì)胞的殺傷力[38]。斑蝥黃增加了人外周血淋巴細(xì)胞中輔助性T細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞活性分子的表達(dá)。用貓等（不能有效地將類胡蘿卜素轉(zhuǎn)化成維生素A）動(dòng)物做試驗(yàn),表明非維生素A前體的類胡蘿卜素也能夠增加免疫力[42]。葉黃素和蝦青素可以增加離體小鼠脾細(xì)胞對(duì)T細(xì)胞抗原的抗體應(yīng)答,此外,葉黃素還會(huì)影響抗體的產(chǎn)生、B細(xì)胞的增殖和分化、遲發(fā)型超敏反應(yīng)、T細(xì)胞亞群比例[43]。在增強(qiáng)細(xì)胞免疫和體液免疫應(yīng)答方面,一些非維生素A原的類胡蘿卜素有時(shí)比β-胡蘿卜素更有效[42]。

蝦青素、斑蝥黃、葉黃素和β-胡蘿卜素都有抑制腫瘤生長(zhǎng)的作用。葉黃素可以阻止腫瘤相關(guān)的淋巴細(xì)胞亞群的改變。此外,飼糧中葉黃素的添加提高了帶瘤小鼠脾細(xì)胞IFN-γmRNA的表達(dá),減少了IL-10的表達(dá)[42]。飼糧中的葉黃素減少了帶瘤小鼠血液粒細(xì)胞的凋亡,因此增強(qiáng)了機(jī)體免疫狀態(tài)。此外,類胡蘿卜素對(duì)幼年動(dòng)物早期的免疫功能起重要調(diào)節(jié)作用。小鼠胎兒免疫系統(tǒng)的個(gè)體發(fā)育需要母源飼糧中的類胡蘿卜素刺激[44]。類胡蘿卜素在禽類免疫系統(tǒng)早期發(fā)育中的作用可能與胚胎形成過程中法氏囊B細(xì)胞的發(fā)育和出生后法氏囊中大量存在的類胡蘿卜素有關(guān)[1,38]。

4 母源類胡蘿卜素對(duì)胚胎發(fā)育的作用

類胡蘿卜素是天然的脂溶性抗氧化劑,可以增強(qiáng)胚胎的抗氧化能力,從而保護(hù)生長(zhǎng)發(fā)育的組織免受活性氧（reactive oxygen species,ROS）和自由基的損傷[45-46]。這些保護(hù)作用是十分重要的,因?yàn)榍蓊惻咛ソM織含有大量易受自由基攻擊的不飽和脂肪酸。此外,對(duì)早熟性的禽類（如雞）而言,在孵化后從尿囊過渡到肺呼吸,需要代謝率和耗氧量快速增加以維持機(jī)體體溫和活動(dòng)的需要。禽類胚胎有完整的抗氧化系統(tǒng),包括蛋黃來源的（如維生素E、類胡蘿卜素、硒）和胚胎合成的（如維生素C、谷胱甘肽）抗氧化劑,各種組分之間相互協(xié)同形成有機(jī)統(tǒng)一的抗氧化系統(tǒng)。類胡蘿卜素在抗氧化系統(tǒng)中起重要作用,可以有效淬滅單線態(tài)氧和清除自由基,特別是在胚胎組織的低氧條件下[45]。研究表明類胡蘿卜素含量高的雞蛋可以降低仔雞孵出后體組織脂質(zhì)的過氧化。母雞飼糧中添加類胡蘿卜素3周,所產(chǎn)蛋的蛋黃中類胡蘿卜素的含量就達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)[1],許多蛋黃中的類胡蘿卜素大部分儲(chǔ)存到胚胎的肝臟中,而仔雞飼糧中添加的類胡蘿卜素廣泛沉積于體內(nèi)各部位。此外,母源飼糧中的類胡蘿卜素至少在孵化后1周內(nèi)起主要作用,而從第2周開始,仔雞飼糧中類胡蘿卜素的添加逐漸影響機(jī)體類胡蘿卜素的沉積。由于類胡蘿卜素的抗氧化和免疫調(diào)控作用對(duì)出生后的仔雞有重要作用,因此,母源性的類胡蘿卜素可能會(huì)對(duì)仔雞的活力產(chǎn)生很大影響[1]。

5 卵巢中與類胡蘿卜素代謝相關(guān)基因的表達(dá)

大量的研究集中在飼糧中類維生素A和類胡蘿卜素的轉(zhuǎn)運(yùn)以及它們?cè)诼鸭?xì)胞中的沉積,但是近來在哺乳動(dòng)物和魚類的研究也表明卵巢是類維生素A和類胡蘿卜素代謝的重要位點(diǎn)。類維生素A對(duì)于生殖細(xì)胞的凋亡、卵母細(xì)胞的成熟、存活和活力是非常重要的,并影響卵泡的類固醇合成[47-48]。視黃醇在牛優(yōu)勢(shì)卵泡的卵泡液中存在,在非閉鎖卵泡濃度最高,而在閉鎖的小卵泡濃度最低[49],而且β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化成視黃醇與卵泡成熟的進(jìn)程相關(guān)[27]。

此外,牛卵丘顆粒細(xì)胞合成視黃酸并表達(dá)RXRs、醛脫氫酶-1家族和PPARγ,表明卵泡成熟過程中相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控[50]。Brown等[49]研究表明牛卵泡膜細(xì)胞和顆粒細(xì)胞可以表達(dá)和合成RBP4和RBP1,從而轉(zhuǎn)運(yùn)視黃醇通過卵泡基底膜。Levi等[27]用原位雜交測(cè)定了虹鱒魚卵泡膜層、顆粒細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞和卵黃發(fā)生的卵母細(xì)胞中與類胡蘿卜素代謝相關(guān)基因的表達(dá)（BCMO1、BCDO2、RBP1、LRAT、RBP4和STRA6）。結(jié)果表明與β-胡蘿卜素裂解相關(guān)的酶、與視黃酯儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的酶以及與視黃醇結(jié)合蛋白合成相關(guān)的酶在卵巢細(xì)胞都有表達(dá),這些基因在虹鱒魚卵巢中的高表達(dá)表明卵巢也起著肝外組織儲(chǔ)存視黃酯和視黃醇合成的作用。

6 小 結(jié)

人們對(duì)類胡蘿卜素消化吸收、代謝轉(zhuǎn)運(yùn)、抗氧化作用、免疫調(diào)節(jié)作用及其在基因表達(dá)調(diào)控中的研究逐漸闡明了類胡蘿卜素的功能和作用機(jī)理,特別是最近BCMO1的純化和STRA 6轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的發(fā)現(xiàn),對(duì)類胡蘿卜素的研究具有重大意義。但關(guān)于類胡蘿卜素的研究主要集中在β-胡蘿卜素,對(duì)其他一些類胡蘿卜素的研究較少。我們需要進(jìn)一步研究其他一些類胡蘿卜素（特別是非維生素A前體的類胡蘿卜素）是否存在代謝相關(guān)的酶,其代謝產(chǎn)物是否具有生物學(xué)活性和功能,不同類胡蘿卜素在機(jī)體不同組織部位是否有特異性轉(zhuǎn)運(yùn)載體,這些載體對(duì)不同類胡蘿卜素的轉(zhuǎn)運(yùn)是否存在順、反和結(jié)構(gòu)特異性。此外,炎癥產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物也可以與類胡蘿卜素相互作用,因此,類胡蘿卜素和炎癥之間的關(guān)系也需進(jìn)一步研究。

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*Correspond ing au thor,p rofessor,E-m ail:yzbi@scau.edu.cn

（編輯 何麗霞）