戴伶俐,劉在霞,郭麗麗,楊彥達(dá),常晨城,王 宇,石彩霞,王玉珍,張文廣,2*

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,呼和浩特 010018;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院,呼和浩特 010031;4.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院,呼和浩特 010018)

奶牛酮病(ketosis)是圍產(chǎn)期奶牛常見(jiàn)的代謝性疾病[1-2]。圍產(chǎn)期奶牛由于受孕晚期激素變化、胎兒迅速增長(zhǎng)、分娩、泌乳等高耗能生理應(yīng)激,同時(shí)食欲下降、營(yíng)養(yǎng)攝入不足,因能量“入不敷出”而導(dǎo)致能量負(fù)平衡,嚴(yán)重的能量負(fù)平衡將導(dǎo)致血酮升高,演變?yōu)閬喤R床酮病或臨床酮病[3]。奶牛酮病顯著降低奶牛泌乳量和乳品質(zhì),降低繁殖效率,也會(huì)增加皺胃移位、跛行和子宮炎的風(fēng)險(xiǎn),常造成較為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[4]。

哺乳動(dòng)物在營(yíng)養(yǎng)充足、休息的條件下,以葡萄糖作為主要的能量物質(zhì),保證機(jī)體正常生命活動(dòng)。然而,在自然環(huán)境中,長(zhǎng)期的食物供應(yīng)受限、能量物質(zhì)攝入不足和適度的體力活動(dòng)會(huì)顯著改變血糖水平,導(dǎo)致基本生理功能更加依賴脂肪酸代謝[5]。例如,長(zhǎng)時(shí)間的禁食和耐力鍛煉會(huì)導(dǎo)致血糖水平下降,脂肪組織來(lái)源的脂肪酸的β氧化,肝吸收并將脂肪酸轉(zhuǎn)化為酮體,同時(shí)導(dǎo)致酮體增加,主要是β-羥丁酸(β-hydroxybutyrate,BHBA)和乙酰乙酸。此外,喂養(yǎng)高脂肪、低碳水化合物生酮飲食的動(dòng)物(ketogenesis diet,KD)或處于能量負(fù)平衡的圍產(chǎn)期奶牛,肝臟加強(qiáng)生成酮體,然后輸出到幾乎所有的肝外身體組織,在肝外組織主要通過(guò)線粒體代謝轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán),最終產(chǎn)生 “能量貨幣”三磷酸腺苷(ATP)[6-7]。近年來(lái)的研究表明BHBA不僅是一種能量物質(zhì),而且在細(xì)胞表面和細(xì)胞內(nèi)具有其受體分子,介導(dǎo)多種信號(hào)傳導(dǎo)功能,可以影響基因表達(dá)、脂質(zhì)代謝、神經(jīng)元功能,還能夠調(diào)控炎癥反應(yīng)[6,8],例如激活羥基羧酸受體2 (hydroxy-carboxylic acid receptor 2, HCA2)[9]和核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體3(NLR family pyrin domain containing 3,NLRP3)炎癥小體[10],從而阻斷炎癥中間體的合成。此外,組蛋白賴氨酸β-羥基丁基化修飾是一種新發(fā)現(xiàn)的表觀遺傳修飾形式[11],BHBA介導(dǎo)的表觀遺傳修飾參與重要的細(xì)胞生理和代謝調(diào)節(jié)。結(jié)合近年來(lái)對(duì)BHBA的相關(guān)研究,本文就BHBA作為信號(hào)分子對(duì)表觀遺傳修飾影響、調(diào)控炎癥作用機(jī)制進(jìn)行綜述,以期為科研工作者研究代謝與炎癥作用機(jī)制提供參考和借鑒,為藥物開(kāi)發(fā)、疾病治療、奶牛酮病的防治提供新思路。

1 BHBA生成與利用

BHBA是酮體的重要組成分子,能量限制、生酮飲食、能量負(fù)平衡均能夠促使機(jī)體脂肪動(dòng)員、脂解,通過(guò)肝生酮作用(ketogenesis)最終產(chǎn)生BHBA。脂肪動(dòng)員生成的脂肪酸經(jīng)過(guò)β氧化,在線粒體內(nèi)最終生成乙酰輔酶A(acetyl-CoA)。為維持血糖濃度,肝細(xì)胞加速糖原異生,大量草酰乙酸進(jìn)入糖原異生途徑,而草酰乙酸是三羧酸循環(huán)開(kāi)始的必要化合物,其缺少導(dǎo)致脂肪酸生成的乙酰輔酶A無(wú)法進(jìn)入三羧酸循環(huán)從而進(jìn)入生成酮體途徑[12]。乙酰輔酶A在乙?；D(zhuǎn)移酶(acetyl-CoA acetyltransferase 1,ACAT1)的催化下形成乙酰乙酰輔酶A,再通過(guò)3-羥甲基戊二酰(HMG)-輔酶A合成酶(mitochondrial hydroxymethyl glutaryl-CoA synthase,HMGCS2)的作用下生成3-羥甲基戊二酰-輔酶A(3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA,HMG-CoA)。HMG-CoA裂解酶將HMG-CoA裂解形成乙酰輔酶A和乙酰乙酸。乙酰乙酸在D-3-羥基丁酸脫氫酶(β-hydroxybutyrate dehydrogenase,BDH1)作用下,還原為BHBA(圖1)。HMGCS2是生成BHBA必須酶,也是酮體生成的限速步驟,該酶主要存在于肝細(xì)胞中,因此BHBA主要在肝臟內(nèi)生成。

由于肝細(xì)胞內(nèi)缺乏酮解作用(ketolysis)的關(guān)鍵酶,肝細(xì)胞生成的BHBA轉(zhuǎn)運(yùn)至肝細(xì)胞外隨血液進(jìn)入肝外組織細(xì)胞內(nèi)被氧化利用。BHBA經(jīng)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白MCT1/2 由肝進(jìn)入血液循環(huán)至外周組織細(xì)胞內(nèi),經(jīng)BDH1酶作用氧化為乙酰乙酸。隨后,在SCOT轉(zhuǎn)移酶(succinyl-CoA:3-ketoacid-CoA transferase, SCOT)作用下乙酰乙酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴Ｒ阴］o酶A,該步驟為酮解作用的限速步驟,由于肝細(xì)胞不表達(dá)SCOT,因此不能利用BHBA,只能運(yùn)輸至肝外作為能量物質(zhì)供能,是機(jī)體的一種自我保護(hù)機(jī)制,在能量匱乏狀態(tài)下,盡量為肝外組織提供能量以滿足基本代謝需求,維持基本生命活動(dòng)。最后,ACAT1催化乙酰乙酰輔酶A生成的乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán),最終產(chǎn)生ATP為細(xì)胞提供能量(圖1)。BHBA的生成與利用是機(jī)體在應(yīng)對(duì)能量短缺情況下,維持機(jī)體基本生命活動(dòng)的生理性反應(yīng),但是如果機(jī)體長(zhǎng)期處于能量負(fù)平衡狀態(tài),未能及時(shí)糾正,BHBA在體內(nèi)蓄積而導(dǎo)致高酮血癥,導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生病理反應(yīng),嚴(yán)重者將危及生命。

2 BHBA介導(dǎo)表觀遺傳修飾調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)

基因表達(dá)是一個(gè)受多因素調(diào)控的復(fù)雜過(guò)程,表觀遺傳修飾是基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的重要組成部分。組蛋白是染色體基本結(jié)構(gòu)-核小體中的重要組成部分,其N(xiāo)-末端氨基酸殘基可發(fā)生乙?；?、甲基化、磷酸化、泛素化、多聚ADP糖基化等多種共價(jià)修飾作用。組蛋白的修飾可通過(guò)影響組蛋白與DNA雙鏈的親和性,從而改變?nèi)旧|(zhì)的疏松或凝集狀態(tài),或通過(guò)影響其它轉(zhuǎn)錄因子與結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子的親和性來(lái)發(fā)揮基因調(diào)控作用,組蛋白修飾對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控有類(lèi)似DNA遺傳密碼的調(diào)控作用。組蛋白賴氨酸乙?；?、甲基化修飾目前研究較為深入的兩種組蛋白修飾形式,對(duì)基因表達(dá)調(diào)控具有非常重要的作用,已受到廣泛關(guān)注。隨著蛋白質(zhì)修飾和單抗技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的新型組蛋白賴氨酸修飾被發(fā)現(xiàn),如琥珀酰化、巴豆?；?、丙二?；?、戊二酰化、2-羥基異丁?；ⅵ?羥基丁?；萚13]。長(zhǎng)期以來(lái),BHBA僅被認(rèn)為是能量受限條件下的主要能源物質(zhì)供能,但近年來(lái)的研究表明BHBA可以介導(dǎo)表觀遺傳修飾發(fā)揮其調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的作用。

2.1 BHBA介導(dǎo)組蛋白賴氨酸β羥基丁?；揎椷M(jìn)而調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)

BHBA引起蛋白β羥基丁?；?β-hydroxybutyrylation)最早發(fā)現(xiàn)于2016年,組蛋白賴氨酸β羥基丁酰化(lysine β-hydroxybutyrylation,Kbhb)是一種新的組蛋白賴氨酸修飾形式,長(zhǎng)期禁食、鏈唑霉素(streptozotocin)誘導(dǎo)的小鼠糖尿病酮癥酸中毒模型中,BHBA升高均能夠引起肝細(xì)胞組蛋白Kbhb修飾。目前已鑒定44個(gè)組蛋白Kbhb位點(diǎn),這些修飾位點(diǎn)富集于活躍的基因啟動(dòng)子區(qū)域[11]。

組蛋白H3第9位賴氨酸位點(diǎn)Kbhb (H3K9bhb)修飾是近年來(lái)β羥基丁?；揎椀难芯繜狳c(diǎn),該修飾位點(diǎn)位于基因轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域,BHBA影響H3K9bhb修飾,進(jìn)而影響基因表達(dá)調(diào)控。由禁食或生酮飲食誘導(dǎo)產(chǎn)生的內(nèi)源性BHBA和通過(guò)注射途徑獲得外源性BHBA都能夠引起組蛋白Kbhb修飾,抑制或緩解炎癥反應(yīng)。生酮飲食誘導(dǎo)小鼠血液BHBA濃度升高,緩解中樞神經(jīng)的炎癥反應(yīng),具有抗抑郁作用[14],這種抗抑郁作用與BHBA誘導(dǎo)的組蛋白β羥基丁酰化修飾有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)小鼠受應(yīng)激刺激發(fā)生抑郁行為,腦部BHBA濃度降低同時(shí)H3K9bhb水平也降低,注射BHBA或通過(guò)饑餓或生酮飲食提高體內(nèi)BHBA水平,均能增強(qiáng)H3K9bhb修飾,能夠緩解小鼠抑郁行為[15]。在糖尿病大鼠模型中,通過(guò)靜脈注射中高劑量BHBA提高了基質(zhì)金屬蛋白酶-2(matrix metalloproteinase-2,MMP-2)基因啟動(dòng)子區(qū)域H3K9bhb修飾,從而上調(diào)Mmp-2基因表達(dá)抵抗腎小球硬化癥[16],緩解腎小球腎炎。BHBA通過(guò)改變細(xì)胞組蛋白Kbhb修飾,調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄,改變細(xì)胞炎癥反應(yīng)狀態(tài)。Zhang等[17]研究發(fā)現(xiàn),形成記憶性CD8+T細(xì)胞,需要通過(guò)生酮作用產(chǎn)生BHBA,使foxo1和ppargc1基因區(qū)域組蛋白發(fā)生H3K9bhb修飾,提高了轉(zhuǎn)錄因子叉頭框蛋白O1(forkhead homeobox type protein O1,FOXO1)和過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體r輔助因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor-r co-activatoro 1α,PGC1α)表達(dá)量,進(jìn)而上調(diào)PCK1表達(dá),促進(jìn)糖原異生和磷酸戊糖途徑,使胞內(nèi)糖原生成與利用達(dá)到平衡狀態(tài)和維持氧化還原穩(wěn)態(tài),從而使殺傷性T細(xì)胞趨向于形成記憶性T細(xì)胞,減緩炎癥反應(yīng)。

泌乳早期奶牛易發(fā)生酮病,代謝紊亂對(duì)奶牛繁殖有一定的影響?；加型〉哪膛Ｑ築HBA濃度升高,體內(nèi)組織蛋白廣泛性出現(xiàn)Kbhb修飾[18]。2022年,Sangalli等[18]采集奶牛卵巢、卵丘細(xì)胞、肝、乳腺、腎、心、大腦和成纖維細(xì)胞培養(yǎng)物樣本,利用針對(duì)H3K9bhb殘基的抗體進(jìn)行蛋白質(zhì)印跡分析以鑒定Kbhb,研究結(jié)果表明圍產(chǎn)期奶牛組織中廣泛存在組蛋白H3K9bhb修飾。分別用2、4和6 mmol·L-1BHBA體外刺激牛成纖維細(xì)胞和卵丘細(xì)胞,組蛋白H3K9bhb與BHBA處理濃度具有明顯的劑量效應(yīng)。研究者們發(fā)現(xiàn)高濃度BHBA促進(jìn)卵丘-卵母細(xì)胞復(fù)合體的成熟并且強(qiáng)烈誘導(dǎo)H3K9bhb修飾。卵丘細(xì)胞的RNA-seq分析表明,BHBA處理改變了345個(gè)基因的表達(dá),下調(diào)基因主要參與糖酵解和核糖體組裝途徑,而上調(diào)基因則參與線粒體代謝和卵母細(xì)胞發(fā)育。該研究進(jìn)一步豐富了酮病對(duì)奶牛繁殖力影響的作用機(jī)制。這提示后續(xù)的研究者們可以從奶牛組蛋白H3K9bhb對(duì)表型相關(guān)基因表達(dá)調(diào)控研究為切入點(diǎn),開(kāi)展奶牛酮病相關(guān)的分子機(jī)制研究。

BHBA通過(guò)改變組蛋白β羥基丁?；揎?調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄表達(dá),進(jìn)而影響細(xì)胞功能或影響細(xì)胞表型轉(zhuǎn)變。因此,這種新的表觀遺傳修飾方式作為感應(yīng)環(huán)境變化與基因表達(dá)調(diào)控的橋梁,具有重要的研究意義。

2.2 BHBA影響組蛋白乙酰化修飾

組蛋白乙?；饔弥竿ㄟ^(guò)組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶(histoneacetyltransferas,HAT)通在組蛋白賴氨酸殘基乙?；?激活基因轉(zhuǎn)錄,而蛋白去乙?；?histone eacetylases,HDACs)使組蛋白去乙酰化,抑制基因轉(zhuǎn)錄[19]。BHBA是HDAC內(nèi)源性抑制劑。體外細(xì)胞學(xué)試驗(yàn)顯示,HEK293細(xì)胞加入BHBA處理,能夠抑制HDCA使組蛋白高度乙?；?。小鼠通過(guò)注射BHBA,或通過(guò)饑餓、能量限制方式使體內(nèi)BHBA水平升高,小鼠組織乙酰化程度增加,在foxo3a和mt2啟動(dòng)子區(qū)域組蛋白乙?；黠@增強(qiáng),上調(diào)了foxo3a和mt2基因的轉(zhuǎn)錄水平,從而增強(qiáng)細(xì)胞和組織的抗氧化應(yīng)激能力[20]。由此可見(jiàn),BHBA可作為內(nèi)源性HDAC抑制劑發(fā)揮抗氧化作用。BHBA抑制HDAC具有組織特異性。饑餓誘導(dǎo)體內(nèi)BHBA升高,不同組織乙酰化水平變化有所不同,腎臟組蛋白乙?；缴仙?肝臟無(wú)明顯變化、心臟呈下降狀態(tài)[11,21],這表明其調(diào)控機(jī)制在不同組織可能存在一定差異,有待進(jìn)一步深入研究。

酮體BHBA影響奶牛體細(xì)胞和胚胎的組蛋白乙酰化修飾,從而影響奶牛胚胎發(fā)育。奶牛克隆胚胎的早期合子階段用BHBA處理胚胎會(huì)誘導(dǎo)H3K9ac的增加,并且至少持續(xù)到囊胚階段,通過(guò)改變基因表達(dá)或代謝重編程來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境改變帶來(lái)的損傷[18,22]。

2.3 BHBA影響組蛋白其他修飾形式調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)

BHBA不僅能夠直接引起組蛋白β羥丁酰化修飾,促進(jìn)組蛋白乙?；揎?還能夠影響組蛋白的其他修飾形式,如甲基化修飾和泛素化修飾[23-24]。在BHBA對(duì)腦部影響的研究表明,BHBA可增加海馬神經(jīng)元bdnf啟動(dòng)子I、II、IV和VI區(qū)域的H3K4me3甲基化修飾和降低H2AK119ub泛素化修飾的占有率,從而增強(qiáng)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)的表達(dá)。進(jìn)一步研究其作用機(jī)制發(fā)現(xiàn),BHBA誘導(dǎo)的H2AK119ub的減少依賴于激活I(lǐng)型鈣離子通道,而H3K4me3的增加主要由于BHBA激活cAMP/PKA信號(hào),促進(jìn)了轉(zhuǎn)錄因子磷酸化環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(phosphorylated cAMP response element-binding protein,p-CREB)和CREB結(jié)合蛋白(CREB binding protein, CBP)與bdnf啟動(dòng)子的結(jié)合。這些結(jié)果表明,BHBA調(diào)節(jié)多個(gè)組蛋白修飾以協(xié)同調(diào)節(jié)基因表達(dá)和細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo),這也說(shuō)明BHBA具有廣泛的調(diào)節(jié)作用[25-26]。盡管BHBA影響組蛋白甲基化修飾和泛素化修飾的研究較少,但是這些結(jié)果為未來(lái)研究BHBA影響多種表遺傳修飾的分子機(jī)制奠定了理論基礎(chǔ)。

3 BHBA調(diào)控炎癥作用機(jī)制

免疫、炎癥和代謝變化之間的相互作用是一個(gè)不斷發(fā)展的研究領(lǐng)域[27]。酮體是機(jī)體應(yīng)激狀態(tài)下代謝發(fā)生改變而產(chǎn)生的,短期內(nèi)、適宜的濃度可維持體內(nèi)平衡穩(wěn)態(tài)。由于酮體BHBA能夠緩解腦神經(jīng)炎性損傷,因此BHBA對(duì)炎癥的調(diào)節(jié)機(jī)制備受關(guān)注。但是,BHBA調(diào)控炎癥反應(yīng)具有雙面性,通過(guò)生酮飲食、禁食或通過(guò)注射給藥途徑短期內(nèi)適當(dāng)提高體內(nèi)BHBA水平,具有抗炎效果;BHBA在體內(nèi)濃度過(guò)高并且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)(例如:奶牛酮病),可引起較為嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)。BHBA不僅能夠影響表觀遺傳修飾,還能作為信號(hào)分子參與調(diào)控炎癥反應(yīng)。

3.1 BHBA作用于受體分子調(diào)控炎癥反應(yīng)

G蛋白偶聯(lián)受體是信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的膜受體家族,在免疫與炎癥中發(fā)揮重要作用[28]。BHBA可作為直接信號(hào)分子與細(xì)胞膜表面G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合,調(diào)控炎癥因子表達(dá)。目前已鑒定兩個(gè)BHBA作用的受體蛋白,分別為HCAR2(即前文的HCA2)和游離脂肪酸受體3(free fatty acid receptor 3, FFAR3)[29]。HCAR2也被稱為G蛋白偶聯(lián)受體109A(G-protein-coupled receptor 109 A, GPR109A),最早被鑒定為煙酸受體,HCAR2也在多種類(lèi)型細(xì)胞中表達(dá),包括脂肪細(xì)胞、免疫細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和結(jié)腸上皮細(xì)胞,在這些細(xì)胞中,其激活可誘導(dǎo)抗炎作用[30]。LPS刺激鼠神經(jīng)小膠質(zhì)細(xì)胞BV-2,BHBA激活GPR109A,促使胞質(zhì)IκB-α降解,NF-κBB p65易位入核,調(diào)控炎癥因子基因轉(zhuǎn)錄,降低iNOS、COX-2、TNF-α、IL-1β和 IL-6表達(dá)量(圖2),從而降低炎癥反應(yīng),對(duì)神經(jīng)炎性損傷具有潛在的保護(hù)作用[31]。在視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞(retinal pigment epithelium,RPE)細(xì)胞中過(guò)表達(dá)GPR109A可增強(qiáng)BHBA的抗炎作用,小分子藥物抑制GPR109A或基因敲除可消除BHBA的抗炎作用[32],證明BHBA通過(guò)作用于GPR109A受體發(fā)揮其抗炎作用。

BHBA通過(guò)GPR109A促進(jìn)酮病奶牛炎癥反應(yīng)進(jìn)程。適宜濃度的酮體分子BHBA具有抗炎效果,但高濃度BHBA卻表現(xiàn)為促炎作用。通常認(rèn)為奶牛血液酮體BHBA<1.2 mmol·L-1為正常狀態(tài),1.2 mmol·L-1≤BHBA<3.0 mmol·L-1為亞臨床酮病,BHBA≥3.0 mmol·L-1為臨床酮病,奶牛表現(xiàn)為高酮血癥[33-34]。酮病奶牛血液BHBA濃度超過(guò)生理閾值,易發(fā)生各種炎癥。GPR109A在奶牛中性粒細(xì)胞高表達(dá),使用不同濃度BHBA處理奶牛中性粒細(xì)胞發(fā)現(xiàn):當(dāng)BHBA≥1.2 mmol·L-1時(shí),中性粒細(xì)胞趨化能力顯著上升。BHBA通過(guò)激活GPR109A,使AKT、ERK 1/2和AMPKα磷酸化并增加鈣離子釋放,誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞趨化[35]。因此BHBA發(fā)揮促炎作用還是抗炎作用與其濃度、細(xì)胞類(lèi)型、處理時(shí)間以及共刺激因子有關(guān)。

BHBA除了能夠激活HCAR2外,還可以阻斷FFAR3[也叫G蛋白偶聯(lián)受體41(G-protein-couled receptor 41,GPCR41)],導(dǎo)致丙酸誘導(dǎo)的cAMP減少,同時(shí)ERK級(jí)聯(lián)激活減少。雖然FFAR3在多種組織中表達(dá),但在大腦中,它增強(qiáng)了交感神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)[36],從而導(dǎo)致代謝率的增加,這個(gè)過(guò)程可被BHBA阻斷[9]。

3.2 BHBA通過(guò)調(diào)節(jié)NLRP3活性調(diào)控炎癥反應(yīng)

NLRP3炎性小體作為固有免疫的重要組分在機(jī)體免疫反應(yīng)和疾病發(fā)生過(guò)程中具有重要作用。NLRP3是感知病原體或損傷相關(guān)分子模式的先天免疫的重要組成部分。它們是高度調(diào)控的多聚蛋白復(fù)合物,促進(jìn)Caspase-1激活白細(xì)胞介素-1β (IL-1β)和IL-18的分泌。雖然保護(hù)性免疫反應(yīng)和清除某些感染需要一定程度的炎癥小體激活,但過(guò)度的病理激活會(huì)導(dǎo)致組織損傷和全身炎癥[37]。

酮體被認(rèn)為是炎癥和天然免疫的調(diào)節(jié)劑,尤其是BHBA具有調(diào)節(jié)中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞炎性小體NLRP3的活性。在PAMPs (pathogen associated molecular patterns)和DAMPs (damage associated molecular patterns) 作用下,BHBA可特異性阻斷炎癥小體激活。BHBA通過(guò)抑制鉀離子外流和凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD, ASC)聚合從而抑制炎癥小體NLRP3及其下游caspase-1活化,進(jìn)而減少NLRP3介導(dǎo)的IL-1β和IL-18表達(dá),抑制炎癥反應(yīng)(圖2)。這些結(jié)果通過(guò)體外對(duì)人單核細(xì)胞試驗(yàn)和體內(nèi)Muckle-Wells綜合征、家族性冷自體炎癥綜合征和尿酸晶體誘導(dǎo)的腹膜炎小鼠模型試驗(yàn)證實(shí),能量限制或生酮飲食增加血液BHBA濃度,能夠抑制NLPR3降低炎癥因子表達(dá),緩解炎癥反應(yīng)[10]。在生酮飲食升高血液BHBA輔助治療痛風(fēng)的研究中得到了一致的結(jié)果。痛風(fēng)是一種由MSU晶體在關(guān)節(jié)中積累引起的炎癥性關(guān)節(jié)炎。生酮飲食對(duì)所有年齡的痛風(fēng)小鼠模型均有顯著影響,抑制中性粒細(xì)胞活性,且不降低免疫宿主對(duì)感染的反應(yīng)[38]。

BHBA抑制NLRP3降低神經(jīng)性炎癥反應(yīng)。對(duì)脊髓損傷的研究發(fā)現(xiàn),酮體BHBA抑制NLRP3促進(jìn)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞/巨噬細(xì)胞由M1促炎癥表型向M2抑制炎癥表型轉(zhuǎn)變,緩解脊髓損傷造成的炎癥反應(yīng)[39]。BHBA能夠抑制海馬回細(xì)胞IL-1β和TNF-α釋放,緩解神經(jīng)性炎癥,改善由應(yīng)激引起的情緒紊亂、抑郁癥,是極具潛力的候選治療物[40]。

3.3 BHBA參與調(diào)控氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是指體內(nèi)氧化與抗氧化作用失衡的一種狀態(tài),傾向于氧化,產(chǎn)生大量氧化中間產(chǎn)物。氧化應(yīng)激是由自由基在體內(nèi)產(chǎn)生的一種負(fù)面作用,并被認(rèn)為是導(dǎo)致衰老和疾病的一個(gè)重要因素。各種活性氧物種的產(chǎn)生超過(guò)內(nèi)源性抗氧化防御機(jī)制,促進(jìn)氧化應(yīng)激狀態(tài)的發(fā)展,具有重要的生物學(xué)后果。氧化應(yīng)激在炎癥的發(fā)生和發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用[41]。

BHBA具有抗氧化和緩解氧化應(yīng)激作用。首先,BHBA作為羥基自由基(·OH)的直接抗氧化劑[42],通過(guò)促進(jìn)NADH氧化,抑制應(yīng)激神經(jīng)元線粒體活性氧(reactive oxygen species, ROS)的產(chǎn)生,降低氧化應(yīng)激引起的炎性損傷。其次,BHBA還可以通過(guò)調(diào)控FOXO1、FOXO3和NRF2(nuclear factor-erythroid 2-related factor-2)的驅(qū)動(dòng)血紅素加氧酶1 (heme oxygenase 1,HO-1)、超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase, SOD2)、過(guò)氧化氫酶(catalase, CAT)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)醌氧化還原酶1(NQO1)、葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G6PDH)和谷氨酸半胱氨酸連接酶(GCL)的表達(dá)抵御高氧化應(yīng)激條件(圖2)。

① 表觀遺傳修飾;②激活受體;③抑制NLRP3;④抑制氧化應(yīng)激。.BHBA;.β羥丁酰輔酶A① Epigenetic modification;② Receptor activation; ③ Inhibited NLRP3;④Inhibition of oxidative stress.BHBA;.β-hydroxybutyryl-CoA 圖2 β-羥丁酸(BHBA)調(diào)控炎癥分子機(jī)制Fig.2 β-hydroxybutyrate(BHBA) regulated inflammation as a signal molecular

高水平的BHBA可引發(fā)奶牛氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng),導(dǎo)致產(chǎn)奶量下降和多種產(chǎn)后疾病?；加型〉哪膛１憩F(xiàn)出嚴(yán)重的代謝應(yīng)激和免疫功能紊亂,使其更容易受到感染。臨床酮病奶牛血液?jiǎn)魏思?xì)胞的黏附、遷移和吞噬能力較低,而凋亡水平和ROS含量較高[43]。2.4 mmol·L-1BHBA能夠刺激奶牛巨噬細(xì)胞氧化應(yīng)激產(chǎn)生的炎癥反應(yīng)[44]。用3 mmol·L-1BHBA體外刺激從健康奶牛血液分離的單核細(xì)胞,ROS含量升高和凋亡加重,同時(shí)NLRP3、caspase 1、IL-1β蛋白含量上升。外源性BHBA通過(guò)激活ROS-NLRP3通路,這可能是導(dǎo)致酮病奶牛免疫功能紊亂的部分原因[43]。高濃度BHBA不僅通過(guò)激活氧化應(yīng)激增加單核細(xì)胞的炎癥反應(yīng),也能引起肝臟的炎性損傷。1.8 mmol·L-1BHBA體外刺激牛原代肝細(xì)胞,BHBA能顯著提高肝細(xì)胞氧化因子[丙二醛(MDA)、NO和iNOS]水平,而抗氧化因子[谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GSH-Px)、CAT和SOD]水平顯著降低,同時(shí)NF-κB調(diào)節(jié)的炎性細(xì)胞因子,即TNF-α、IL-6和IL-1β的表達(dá)水平顯著升高[45]。高濃度的BHBA可以通過(guò)NF-κB信號(hào)通路誘導(dǎo)牛肝細(xì)胞炎性損傷,該通路可能被氧化應(yīng)激激活。

4 小結(jié)與展望

酮體分子BHBA作為機(jī)體能量替代物質(zhì),在碳水化合物供能不足情況下,如饑餓、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)、能量限制等,為機(jī)體提供能量,是機(jī)體抵抗應(yīng)激的重要代謝物。隨著對(duì)機(jī)體代謝的深入研究,BHBA不僅是一種代謝物,還可以通過(guò)改變表觀遺傳修飾調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄表達(dá),還能夠與細(xì)胞表面受體結(jié)合直接參與調(diào)節(jié)細(xì)胞某些重要的生物學(xué)過(guò)程,并通過(guò)改變乙酰輔酶A、琥珀酰輔酶A和NAD+等參與調(diào)節(jié)代謝的分子水平間接調(diào)節(jié)細(xì)胞過(guò)程[46-47]。BHBA促進(jìn)組蛋白Kbhb和調(diào)節(jié)HDAC活性的能力以及由此產(chǎn)生的表觀遺傳基因調(diào)控尤其值得注意,因?yàn)樗崾径喾N基因作為BHBA的調(diào)控靶點(diǎn),與氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、天然免疫等方面有著密切聯(lián)系。代謝、炎癥與免疫處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,互相影響、互為因果,通過(guò)表觀遺傳學(xué)角度利用高通量測(cè)序技術(shù)將三者有機(jī)聯(lián)系起來(lái)做深入分析,是酮體作用機(jī)制研究的新方向。

BHBA作為信號(hào)分子,調(diào)控炎癥反應(yīng),對(duì)抗抑郁、抗癲癇、抗腫瘤、緩解帕金森癥等有一定效果[9,48-50]。酮體本質(zhì)是機(jī)體抵抗不良環(huán)境因素而進(jìn)化產(chǎn)生抵抗應(yīng)激的一種有效保護(hù)措施,但由于BHBA分子在血液中較穩(wěn)定,不易分解,因此BHBA蓄積使血液pH降低,引起高酮血癥、酮癥酸中毒,嚴(yán)重時(shí)甚至危及生命[51-54]。這種影響對(duì)于圍產(chǎn)期奶牛尤為明顯。圍產(chǎn)期奶牛受能量負(fù)平衡影響極易發(fā)生酮病,使奶牛免疫抑制[55],易發(fā)生多種炎癥[56]。由于BHBA具有抑制炎癥反應(yīng)的作用,炎癥是免疫反應(yīng)的重要過(guò)程,炎癥反應(yīng)一旦受到抑制意味著機(jī)體免疫系統(tǒng)受到一定的抑制,增加病原微生物入侵概率,造成感染。為應(yīng)對(duì)感染,機(jī)體的免疫系統(tǒng)執(zhí)行清除異物任務(wù)又是耗能過(guò)程,這將進(jìn)一步加重能量負(fù)平衡程度,一旦機(jī)體BHBA濃度顯著上升,發(fā)展為酮病狀態(tài),會(huì)導(dǎo)致機(jī)體嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)。如何控制圍產(chǎn)期奶牛能量負(fù)平衡程度,有效利用BHBA抗氧化應(yīng)激和抗炎作用,以減少奶牛發(fā)病率,平穩(wěn)度過(guò)圍產(chǎn)期,尚需要開(kāi)展相關(guān)研究。因此,酮體作為破解代謝與免疫之間的密碼值得深入研究,為未來(lái)藥物開(kāi)發(fā)、疾病防控提供新方向。