李菲菲 童津津 方洛云 蔣林樹

(北京農(nóng)學(xué)院動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,奶牛營養(yǎng)學(xué)北京市重點實驗室,北京 102206)

動物機(jī)體健康狀況與生產(chǎn)性能和經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)。在實際生產(chǎn)中,畜禽機(jī)體極易發(fā)生炎癥和氧化應(yīng)激,增加飼養(yǎng)難度,導(dǎo)致動物生產(chǎn)性能下降,產(chǎn)品品質(zhì)降低,甚至死亡率增高。動物機(jī)體內(nèi)有一套完整的自我防御體系,自噬調(diào)節(jié)是一種高度保守的先天性免疫,具有消除細(xì)胞質(zhì)異物、清除入侵病原微生物等生物學(xué)功能,對各種組織的發(fā)育和分化具有極其重要的作用[1]。本文以自噬調(diào)節(jié)的分子機(jī)制、細(xì)胞自噬與動物健康的關(guān)系及植物活性成分對動物細(xì)胞自噬的調(diào)控作用為主題,結(jié)合近幾年國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,以期為動物疾病的防治提供新的思路和方法。

1 自噬調(diào)節(jié)的分子機(jī)制

1.1 自噬調(diào)節(jié)

自噬調(diào)節(jié)是動物機(jī)體一種存在廣泛且保守型的先天性免疫,是真核細(xì)胞中普遍存在的一種降解機(jī)制,是細(xì)胞維持自身生存非常關(guān)鍵的修復(fù)途徑之一[2]。在自噬相關(guān)蛋白的調(diào)控下,自噬利用溶酶體降解自身受損的細(xì)胞器、大分子物質(zhì)及入侵的微生物,來實現(xiàn)細(xì)胞本身的代謝需要、某些細(xì)胞器的更新以及抵抗病原微生物的感染,從而維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定及細(xì)胞的完整性[3]。自噬調(diào)節(jié)是一種受多條通路[如磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/絲蘇氨酸蛋白激酶(serine-threonine kinase,Akt)/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)、絲裂原活化蛋白激酶(MEK)1/2-蛋白激酶(ERK)1/2和單磷酸腺苷活化蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase,AMPK)/ULK1(unc-51 like autophagy activating kinase 1)等]以及自噬相關(guān)基因 (autophagy related gene,Atg)5、Atg7、Atg12等40余種蛋白共同調(diào)控的細(xì)胞機(jī)制[4]。

1.1.1 自噬調(diào)節(jié)的分類

自噬是一種依賴溶酶體降解途徑的免疫機(jī)制,具有多方面的免疫生物學(xué)功能。免疫系統(tǒng)的發(fā)育、先天和適應(yīng)性免疫、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞內(nèi)微生物選擇性降解以及機(jī)體對病原微生物的免疫反應(yīng),都離不開自噬調(diào)節(jié)的作用[5]。根據(jù)自噬是否依賴自噬相關(guān)蛋白和經(jīng)典通路,將其分為經(jīng)典性自噬和非經(jīng)典性自噬。其中,經(jīng)典性自噬又根據(jù)其對底物的運輸方式和底物類型的差異分為巨自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)性自噬[6]。巨自噬是研究較多的一種自噬,由線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體或質(zhì)膜的雙層膜結(jié)構(gòu)發(fā)生延伸,將受損的細(xì)胞器與健康的細(xì)胞器分離,形成自噬體,最終自噬體與溶酶體融合形成自噬溶酶體,將受損細(xì)胞器降解。有研究表明,缺失自噬相關(guān)蛋白Atg16L1的小鼠,其胎肝巨噬細(xì)胞經(jīng)脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)處理后,半胱氨酸天冬氨酸酶-1(cysteinyl aspartate specific proteinase-1,Caspase-1)活化和白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)分泌增加,表明自噬可負(fù)向調(diào)節(jié)炎癥小體激活和炎癥因子分泌[7];微自噬指溶酶體直接將細(xì)胞內(nèi)的異物吞噬;分子伴侶介導(dǎo)性自噬是一種選擇性降解機(jī)制,通過伴侶介導(dǎo)的自噬受體溶酶體相關(guān)膜蛋白將細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)遞送至溶酶體進(jìn)行降解[8]。研究發(fā)現(xiàn),促進(jìn)脂肪吞噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬可以保護(hù)肝細(xì)胞免受脂肪毒性[9]。隨著研究的不斷深入,除了常見的幾種自噬類別外,還存在一些對底物降解選擇專一的形式,如線粒體自噬、過氧化物酶體自噬、聚集體自噬、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自噬和核糖體自噬等[10]。最近,發(fā)現(xiàn)Atg8蛋白的自噬獨立性的功能,導(dǎo)致其吞噬底物時可以采取降解或分泌等不同方式,稱為非經(jīng)典性自噬。非經(jīng)典性自噬的形式有降解性自噬、分泌性自噬和循環(huán)自噬等[11]。非經(jīng)典性自噬目前研究報道較少,可能成為未來研究的新熱點。

1.1.2 自噬調(diào)節(jié)的利與弊

自噬是一種保守性高的自我消化過程,對不同病原體的作用機(jī)制存在個體差異性,具有不同的影響[12]。Berton等[13]研究發(fā)現(xiàn),在結(jié)核分枝桿菌和李斯特菌的降解中,自噬作為一種先天性的免疫反應(yīng)途徑,限制其在細(xì)胞質(zhì)中的復(fù)制與存活;此外,有研究報道,布魯氏菌可以針對性地選擇自噬起始復(fù)合物,將其菌液泡轉(zhuǎn)換為具備自噬特征的液泡,逃避宿主的免疫清除,繼而復(fù)制感染,導(dǎo)致持續(xù)性、慢性疾病的發(fā)生[14]。

自噬在某些疾病中對機(jī)體可起到保護(hù)作用,但在某些細(xì)菌病毒中則起到相反作用。研究發(fā)現(xiàn),利用饑餓誘導(dǎo)自噬從酵母菌到大猿的幾種動物模型中,可延長其壽命,有利于動物機(jī)體的健康[15]。在阿爾茲海默癥小鼠模型的大腦中,發(fā)現(xiàn)線粒體自噬受損,利用尿石素A(urolithin A,UroA)誘導(dǎo)線粒體自噬后,顯著減少阿爾茲海默癥小鼠模型大腦中細(xì)胞外β-淀粉樣蛋白(β-amyloid,Aβ)的產(chǎn)生、抑制微管相關(guān)蛋白(microtubule-associated protein,Tau)包涵體的過度磷酸化,從而改善阿爾茲海默癥小鼠的神經(jīng)炎癥水平和認(rèn)知障礙,達(dá)到神經(jīng)保護(hù)的作用[16]。然而,研究發(fā)現(xiàn)布魯氏菌可以變異進(jìn)化出完全的機(jī)制,來逃避自身自噬調(diào)節(jié)的吞噬,并通過劫持自噬成分Atg9和WIPI(Wireless Internet Platform for Interoperability)蛋白來實現(xiàn)促進(jìn)其在細(xì)胞內(nèi)的繁殖與復(fù)制[17]。此外,當(dāng)豬腎臟細(xì)胞(PK15)感染濃度為50%的豬圓環(huán)病毒(PCV2)1 h時,可誘導(dǎo)自噬體形成,自噬通量增加,促進(jìn)病毒復(fù)制[18]。因此,自噬是一把“雙刃劍”,對宿主是利還是弊,取決于病原體、宿主物種等條件。

1.2 自噬調(diào)節(jié)的發(fā)生機(jī)制

自噬的激活與抑制是一個復(fù)雜的過程,受到多種自噬相關(guān)蛋白與信號通路的調(diào)控。據(jù)報道,自噬發(fā)生的過程如圖1所示,首先,雙層膜結(jié)構(gòu)發(fā)生延伸,將受損的細(xì)胞器與健康的細(xì)胞分離;其次,雙層膜將受損的細(xì)胞器包裹,并形成自噬體;最后,自噬體與溶酶體相融合,形成自噬溶酶體,通過溶酶體蛋白達(dá)到降解受損細(xì)胞器的目的[19]。自噬體能夠吞噬各種形狀、大小不一的細(xì)胞物質(zhì),從幾納米的蛋白質(zhì)寡聚體到整個細(xì)菌[20]。目前已發(fā)現(xiàn)與自噬相關(guān)的蛋白有40多種,主要包括Beclin1、微管相關(guān)蛋白輕鏈3(microtubule-associated protein light chain 3,LC3)、p62、mTOR、AMPK等,自噬體的形成與18種相關(guān)蛋白有著密切聯(lián)系,其中LC3和p62是自噬標(biāo)志性的蛋白,可作為自噬體形成和自噬通量的標(biāo)志物[21]。

圖1 自噬發(fā)生的過程

Beclin1由BECN1基因所編碼,與Ⅲ類磷脂酰肌醇3激酶(class Ⅲ PI3K,PI3KC3,又稱Vps34)相互作用,參與早期自噬誘導(dǎo)過程,在自噬體的形成過程中起關(guān)鍵作用[22]。正常情況下,Beclin1含有與B淋巴細(xì)胞瘤-2(Bcl-2)結(jié)構(gòu)域同BH3結(jié)構(gòu)域,使其可與Bcl-2及Bcl-xl的BH3受體結(jié)構(gòu)域相結(jié)合,從而減弱Beclin1與Vps34的相互作用,抑制自噬激活[23]。LC3是哺乳動物細(xì)胞中最早鑒定的自噬小體定位蛋白之一,參與自噬體的形成[24]。LC3通過脂質(zhì)化修飾獲得膜結(jié)合能力,靶向細(xì)胞內(nèi)的吞噬體和溶酶體等多種單層膜結(jié)構(gòu),主要促進(jìn)吞噬體-溶酶體的融合[25]。p62是一種泛素結(jié)合蛋白,促進(jìn)多泛素化蛋白聚集物的周轉(zhuǎn),對于泛素化聚集體的形成及運輸至關(guān)重要。它是選擇性自噬中發(fā)揮重要作用的接頭蛋白,可調(diào)控溶酶體降解途徑,在細(xì)胞自噬過程中充當(dāng)?shù)孜?并通過自噬途徑降解[26]。mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,由mTOR復(fù)合物1(mTORC1)和mTOR復(fù)合物2(mTORC2)組成,與上游分子PI3K發(fā)生反應(yīng),是自噬的主要負(fù)調(diào)節(jié)因子[27-28]。AMPK和p53信號通路抑制mTOR通路,促進(jìn)自噬的發(fā)生[29]。

在乳腺癌裸鼠模型中,當(dāng)自噬發(fā)生時,LC3-Ⅱ參與自噬泡膜的延伸,Beclin1促進(jìn)自噬體的形成并募集其他Atg相關(guān)蛋白。研究發(fā)現(xiàn),每天給小鼠腹腔注射5 mg/kg的白頭翁皂苷D后,p62在自噬通量不足的情況下大量積累,阻止泛素化的蛋白質(zhì)被運轉(zhuǎn)到溶酶體,進(jìn)而抑制自噬降解的進(jìn)程[30]。因此,自噬發(fā)生時相關(guān)蛋白LC3、Beclin1等表達(dá)水平升高,p62表達(dá)水平下降;反之,則表現(xiàn)為自噬活性受到抑制,自噬受損。

1.2.1 PI3K/Akt/mTOR信號通路

細(xì)胞自噬調(diào)控通路中的關(guān)鍵蛋白包括mTOR、ULK1、Beclin1、p62、LC3等,mTOR是細(xì)胞自噬的關(guān)鍵靶點,可調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成與降解、能量代謝和細(xì)胞的增殖與凋亡。給大腦動脈閉塞的大鼠胃內(nèi)給藥10 mL/kg黃芪紅花合物后,PI3K被活化,催化磷脂酰肌醇二磷酸酯(PIP2)向磷脂酰肌醇三磷酸酯(PIP3)轉(zhuǎn)化,AKT轉(zhuǎn)位到細(xì)胞膜,結(jié)構(gòu)發(fā)生變化并發(fā)生雙重磷酸化?；罨腁kt磷酸化結(jié)節(jié)性硬化癥復(fù)合體復(fù)合物解除其對下游mTOR活性的抑制作用,激活mTOR。活化后的mTOR可磷酸化ULK1與自噬相關(guān)蛋白Atg13,進(jìn)而抑制ULK1-Atg13-200 kDa的家族相互作用蛋白(family interacting protein of 200 kDa, FIP200)復(fù)合體的形成,阻礙自噬的發(fā)生[31]。

同時有研究表明,對阿爾茲海默病的小鼠,每天1次向各組小鼠腹膜內(nèi)分別注射10、20、40 mg/kg黃芪甲苷(astragalin,AST),持續(xù)1個月,可通過降低PI3K/Akt/mTOR通路相關(guān)蛋白的磷酸化水平,促進(jìn)小鼠海馬神經(jīng)元自噬體形成和自噬溶酶體降解,從而減輕小鼠海馬神經(jīng)元損傷和認(rèn)知障礙,緩解阿爾茲海默病癥狀[32]。此外,將人中樞神經(jīng)系統(tǒng)多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(GBM)細(xì)胞系U87以1×107/0.1 mL皮下植入小鼠的右脅腹中,12 d后當(dāng)腫瘤體積達(dá)到約100 mm3時,每天1次分別用青藤堿衍生物sino-wcj-33(SW 33)(30和60 mg/kg)灌胃治療,持續(xù)3周。結(jié)果表明,SW33可顯著降低線粒體膜電位并誘導(dǎo)GBM發(fā)生細(xì)胞凋亡,通過促進(jìn)吞噬體和溶酶體的融合過程,調(diào)節(jié)PI3K/Akt/mTOR和AMPK/mTOR信號通路誘導(dǎo)GBM細(xì)胞自噬,從而抑制GBM細(xì)胞的遷移、侵襲和增殖[33]。

1.2.2 轉(zhuǎn)錄因子EB(transcription factor EB,TFEB)

TFEB是堿性螺旋-環(huán)-螺旋黑素細(xì)胞誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子(melano-cyte inducible transcription factor,MITF)或轉(zhuǎn)錄因子增強(qiáng)子家族(transcription factor enhancer family,TFE)成員,是溶酶體生物合成和自噬的主要調(diào)節(jié)因子,可與自噬基因的啟動子區(qū)結(jié)合,誘導(dǎo)自噬體的合成[34]。在正常環(huán)境下,TFEB被磷酸化并滯留在細(xì)胞質(zhì)中,當(dāng)受到刺激時,TFEB去磷酸化進(jìn)入細(xì)胞核,誘導(dǎo)下游自噬和溶酶體等相關(guān)基因的表達(dá)[35]。研究表明,將小鼠巨噬細(xì)胞用80 μg/mL氧化低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein,OX-LDL)作用24 h轉(zhuǎn)化為泡沫細(xì)胞,以建立動脈粥樣硬化模型,分別加入200、400、800和1 000 μg/mL的褐藻糖膠,孵育24 h。褐藻糖膠可以通過上調(diào)TFEB表達(dá)促進(jìn)自噬,從而發(fā)揮其降血脂作用,減少泡沫細(xì)胞中的脂質(zhì)積聚,成為治療動脈粥樣硬化的新靶點[36]。同時,有研究證明,應(yīng)用3 mg/kg魚藤酮構(gòu)建小鼠帕金森病(PD)模型,可引起多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶-1(PARP-1)過度激活,從而促進(jìn)TFEB絲氨酸211的磷酸化,進(jìn)而阻斷TFEB誘導(dǎo)的自噬,促進(jìn)NLRP3介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)[37]。綜上所述,TFEB作為轉(zhuǎn)錄因子,在自噬調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮不可或缺的作用。

1.2.3 ULK1相關(guān)通路

ULK1是自噬關(guān)鍵蛋白中唯一1個具有絲氨酸/蘇氨酸激酶酶活性的蛋白,在自噬溶酶體形成之前,ULK1、Atg13、FIP200組成的復(fù)合物活化介導(dǎo)自噬相關(guān)信號通路[38]。ULK1復(fù)合物是上游營養(yǎng)和自噬體形成之間的橋梁,磷酸化的ULK1是自噬過程中一個關(guān)鍵調(diào)控因子[39]。在機(jī)體營養(yǎng)充足的條件下,mTOR與ULK1的色氨酸相結(jié)合,從而抑制ULK1與AMPK之間的相互作用,導(dǎo)致ULK1失活,關(guān)閉自噬信號通路;在饑餓或病原微生物侵襲等應(yīng)激刺激環(huán)境下,AMPK被活化,通過磷酸化抑制mTORC1的活性,進(jìn)而使mTOR失活,活化的AMPK催化ULK1的色氨酸發(fā)生磷酸化,以達(dá)到啟動自噬發(fā)生的目的[40]。受到饑餓刺激的小鼠,體內(nèi)AMP激活A(yù)MPK,進(jìn)而磷酸化ULK1,促進(jìn)Beclin1-Vps34復(fù)合物的形成,募集跨膜蛋白Atg9點位于早期自噬體組裝的位點,誘導(dǎo)自噬的發(fā)生,保護(hù)機(jī)體免受損傷[41]。

1.2.4 Atg相關(guān)基因

細(xì)胞自噬除受以上自噬調(diào)節(jié)相關(guān)通路調(diào)控,一些自噬相關(guān)基因Atg也參與自噬的調(diào)節(jié)進(jìn)程。酮病奶牛的乳腺組織發(fā)生氧化應(yīng)激,自噬在乳腺的氧化損傷過程中能夠被活性氧(ROS)所激活。首先雙層膜延伸,將受損的細(xì)胞器與健康細(xì)胞器分離,包被受損細(xì)胞器,形成自噬體。調(diào)控自噬體形成的相關(guān)基因包括:Atg12、Atg5和LC3等[42]。Atg5、Atg12形成的基礎(chǔ)是Atg7和Atg10形成硫酯中間體,與Atg5發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)后,Atg5與Atg12再與Atg16形成一個更大的復(fù)合體。該復(fù)合物在體內(nèi)Atg8-磷脂酰乙醇胺(PE)形成過程中必不可少,Atg12-Atg5綴合物也可以體外刺激Atg8-PE的形成[43]。Atg12-Atg5-Atg16復(fù)合物還可以通過參加LC3-PE綴合過程或者直接與膜結(jié)合來調(diào)控自噬體膜的形成[44]。其中,Atg5是一個重要的調(diào)節(jié)因子,是細(xì)胞自噬與凋亡的分水嶺。一方面Atg5參與自噬體的形成,調(diào)節(jié)自噬;另一方面Atg5的過表達(dá)會降低細(xì)胞活力,誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[45]。用0或者1.2 mmol/L的血液中非酯化脂肪酸(NEFA)處理體外培養(yǎng)的奶牛乳腺上皮細(xì)胞(BMECs)24 h,分別添加0、100、200 μmol/L的荷葉堿(nuciferine,NF)處理12 h,可增加LC3-Ⅱ的蛋白表達(dá)。LC3是自噬體形成過程中的關(guān)鍵蛋白,其羧基段被Atg4酶切后可形成LC3-Ⅰ,LC3-Ⅰ在Atg3和Atg7相互作用下,與PE反應(yīng),最終形成LC3-Ⅱ,與p62相互作用,最終將需要降解的自噬內(nèi)容物轉(zhuǎn)運至自噬溶酶體中,緩解BMECs的氧化損傷[46]。

綜上所述,自噬的發(fā)生受到多種相關(guān)蛋白和通路所調(diào)控,過度或異常的自噬都會引起細(xì)胞功能的紊亂,導(dǎo)致疾病的發(fā)生。正常的自噬調(diào)節(jié)可回收受損的蛋白質(zhì)、細(xì)胞器和聚集體,調(diào)節(jié)細(xì)胞線粒體的功能,清除受損的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和過氧化物酶體,有助于清除體內(nèi)廢物,提供能量,并有可能成為癌癥、神經(jīng)退行性疾病和其他慢性疾病的治療靶點。

2 細(xì)胞自噬與動物健康的關(guān)系

自噬作為細(xì)胞代謝的重要一環(huán),是機(jī)體內(nèi)的“智能回收站”,承擔(dān)處理異常、冗余物質(zhì)并為再造新分子提供材料的任務(wù),幫助維持機(jī)體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)平衡。它可以清除細(xì)胞內(nèi)病原體,增強(qiáng)免疫系統(tǒng)功能,防御錯誤折疊的有毒蛋白質(zhì)對健康組織和器官的損害,促進(jìn)動物機(jī)體健康。

2.1 自噬與應(yīng)激損傷

飼養(yǎng)環(huán)境、氣候等條件的突然變化,免疫刺激等因素均可引起動物機(jī)體發(fā)生應(yīng)激損傷,導(dǎo)致動物體溫升高、呼吸困難、消瘦、脫水等癥狀。病理上表現(xiàn)為腎上腺出血、胃腸黏膜出血、潰瘍或糜爛,嚴(yán)重會導(dǎo)致動物死亡。自噬可回收受損細(xì)胞器、調(diào)節(jié)線粒體功能,有助于清除機(jī)體內(nèi)廢物,增強(qiáng)機(jī)體免疫能力,緩解動物機(jī)體應(yīng)激損傷。氧化應(yīng)激是最常見的應(yīng)激損傷之一,當(dāng)動物機(jī)體受外界因素影響或自身生理活動調(diào)節(jié)紊亂時,細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生大量的氧自由基無法及時清除,氧化-抗氧化動態(tài)失衡,導(dǎo)致氧化應(yīng)激發(fā)生[47]。目前,研究表明,細(xì)胞的氧化狀態(tài)與其自噬調(diào)節(jié)密切相關(guān)。一方面,脂質(zhì)過氧化產(chǎn)生的ROS是細(xì)胞自噬重要的調(diào)控因子,可通過PI3K/Akt/mTOR、AMPK/ULK1等通路激發(fā)自噬緩解氧化應(yīng)激損傷,達(dá)到保護(hù)細(xì)胞的作用;而另一方面,當(dāng)ROS刺激超過一定時間或強(qiáng)度時,可阻斷自噬進(jìn)程,造成細(xì)胞損傷[48]。

研究發(fā)現(xiàn),臨床發(fā)生酮病的奶牛乳腺組織中超生理水平的游離脂肪酸(FFA)會引起乳腺組織發(fā)生氧化損傷。低濃度的FFA(0.6 mmol/L)可激活自噬通路,緩解氧化應(yīng)激;而較高濃度的FFA(1.2 mmol/L)則可抑制自噬,加劇氧化損傷[49]。何忻宜等[50]利用高糖及小鼠巨噬細(xì)胞共培養(yǎng)研究成骨細(xì)胞氧化應(yīng)激及自噬的影響,結(jié)果表明,大量的葡萄糖導(dǎo)致了ROS的產(chǎn)生和蓄積,引起成骨細(xì)胞線粒體功能損傷,細(xì)胞自噬隨之被激活,在35 mmol/L葡萄糖的高糖環(huán)境下,自噬一定程度上可緩解細(xì)胞的氧化應(yīng)激壓力,但當(dāng)壓力超過臨界點時間或強(qiáng)度時,凋亡和非凋亡致死程序則被激活,最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。據(jù)報道,當(dāng)氧化應(yīng)激發(fā)生時,機(jī)體細(xì)胞產(chǎn)生大量的ROS與第10號染色體缺失的磷酸酶和張力蛋白同源物(PTEN)氧化失活密切相關(guān),進(jìn)而增強(qiáng)PI3K/Akt/mTOR信號傳導(dǎo)活性,通過mTOR間接方式調(diào)節(jié)自噬[51]。此外,ROS還可以激活腺苷單磷酸活化蛋白激酶/過氧化物酶體增殖物激活受體-γ/核轉(zhuǎn)錄因子-κB(AMPK/PPAR-γ/NF-kB)通路,增加Beclin1的表達(dá)量,以及LC3Ⅱ/LC3Ⅰ和p62比率,來調(diào)控自噬的發(fā)生,引起細(xì)胞凋亡[52]。自噬可以通過線粒體的吞噬作用來消除受損的線粒體,使其無法產(chǎn)生大量的ROS蓄積[53]。自噬調(diào)節(jié)與氧化應(yīng)激之間存在復(fù)雜的相互作用,這種關(guān)系對細(xì)胞在多種生理條件和各種病理環(huán)境的反應(yīng)中起著重要的作用。

2.2 自噬與炎癥

自噬是細(xì)胞維持正常生命活動的重要手段,參與各種炎癥反應(yīng)和屏障修復(fù)[54]。炎癥小體是機(jī)體受到病原菌和內(nèi)源性刺激時胞漿應(yīng)答的產(chǎn)物,是由病原體相關(guān)分子模式(PAMPs)和損傷相關(guān)分子模式(DAMPs)激活的胞質(zhì)炎癥信號復(fù)合物,炎癥小體蛋白水解激活白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)并誘導(dǎo)其分泌促炎性細(xì)胞因子,自噬可以通過抑制炎癥小體的形成來緩解炎癥[55]。在利用LPS誘導(dǎo)小鼠單核巨噬細(xì)胞(RAW264.7)建立的炎癥模型,將三百棒(TAAE)醇提物配制成溶液,給予不同濃度(0、0.25、0.50、1.00 mg/mL)TAAE于炎癥模型中,藥物作用2 h后,各藥物干預(yù)組再加入1 μg/mL的LPS,干預(yù)24 h。結(jié)果發(fā)現(xiàn),TAAE通過抑制PI3K/Akt/mTOR信號通路,促進(jìn)自噬泡的形成、自噬體溶酶體融合和降解,Beclin1、Atg5和LC3Ⅱ/LC3Ⅰ的蛋白表達(dá)量逐漸增加,底物p62蛋白表達(dá)量逐漸降低,同時炎癥相關(guān)蛋白表達(dá)降低[56]。

在金黃色葡萄球菌感染的細(xì)胞模型中,加入適量的硒可促進(jìn)細(xì)胞的自噬調(diào)節(jié),從而有利于清除金黃色葡萄球菌,抑制其在胞內(nèi)增殖,并能顯著抑制NF-κB和MAPK信號通路的關(guān)鍵蛋白的表達(dá)水平,最終達(dá)到抑制炎癥的目的[57]。在視黃酸受體2(RARRES2)對奶牛乳腺上皮細(xì)胞炎癥影響的試驗中,RARRES2可顯著提高自噬關(guān)鍵蛋白的含量,激活自噬調(diào)節(jié),從而與先天免疫系統(tǒng)相互調(diào)節(jié),消除內(nèi)源性炎癥小體及其對相關(guān)炎性信號的分泌,以達(dá)到調(diào)節(jié)炎癥的目的。自噬還可以通過調(diào)控免疫細(xì)胞分化來調(diào)控炎癥反應(yīng),在巨噬細(xì)胞中自噬相關(guān)蛋白具有調(diào)節(jié)吞噬物質(zhì)的功能,以達(dá)到維持細(xì)胞增殖和代謝穩(wěn)態(tài)的目的[58]。

3 植物活性成分對動物細(xì)胞自噬的調(diào)控作用

植物活性成分指構(gòu)成植物體內(nèi)的物質(zhì)除水分、糖類、蛋白質(zhì)類、脂肪類等必要物質(zhì)外,還包括其次生代謝產(chǎn)物(如萜類、黃酮、生物堿、甾體、木質(zhì)素、礦物質(zhì)等),這些物質(zhì)對生命機(jī)體具有生理調(diào)節(jié)作用,且因其療效與安全性,在畜牧業(yè)越來越受到關(guān)注。例如,黃芪長期被廣泛用作藥物和食品,其主要活性成分為AST,具有抗炎、抗氧化、降血糖和免疫調(diào)節(jié)等藥理作用。研究發(fā)現(xiàn),AST能通過抑制PI3K/Akt/mTOR通路,上調(diào)LC3Ⅱ/LC3Ⅰ和Beclin1水平,降低p62水平,進(jìn)而激活自噬,減輕腎臟功能損害,減少糖尿病腎病大鼠的足細(xì)胞凋亡[59]。此外,黃芪和紅花組合(HQ-HH)可以激活PI3K/Akt/mTOR信號通路,并抑制大鼠自噬,防止腸道微生物結(jié)構(gòu)變化,預(yù)防缺血性卒中后腸道菌群失衡[31]。在雞飼糧中添加黃芩苷后可通過核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(NOD-like receptor protein 3,NLRP3)信號通路調(diào)控自噬,減輕雞毒支原體誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng)[58]。而且,研究發(fā)現(xiàn)黃連素(BBr)可激活貓腸中的mTORC和自噬,促進(jìn)腸上皮細(xì)胞增殖,維持細(xì)胞代謝,恢復(fù)腸屏障功能,改善腸道微生物的穩(wěn)態(tài)[60]。

在LPS誘導(dǎo)的小鼠軟骨細(xì)胞炎癥模型中,添加槲皮素可激活細(xì)胞自噬,促進(jìn)自噬標(biāo)志性蛋白LC3Ⅱ的表達(dá),同時抑制自噬底物受體蛋白p62的過度表達(dá),從而促進(jìn)LPS誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞增殖,使其外基質(zhì)合成與代謝達(dá)到平衡,抑制炎癥反應(yīng),恢復(fù)細(xì)胞功能[61]。陳家漣等[62]證實,巴西木素可增加纖維滑膜細(xì)胞的自噬小體積累,提高LC3Ⅱ表達(dá)水平,從而降低炎性因子水平。此外,研究發(fā)現(xiàn),姜黃素可通過調(diào)節(jié)沉默調(diào)節(jié)蛋白1(Sirtuin 1,SIRT1)/mTOR信號通路,誘導(dǎo)大鼠自噬激活,上調(diào)LC3Ⅱ蛋白表達(dá),降低促炎因子的分泌,從而治療葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的潰瘍性結(jié)腸炎[62]。

腸道菌群在維持動物健康過程中具有重要作用。當(dāng)菌群失調(diào)時,會引起顯著的生理變化,導(dǎo)致多種疾病。通常上調(diào)自噬相關(guān)蛋白的表達(dá)水平,可抑制促炎因子分泌,調(diào)節(jié)菌群平衡。連翹黃酮可調(diào)節(jié)自噬相關(guān)蛋白Beclin1和LC3Ⅱ的表達(dá)水平,進(jìn)而促進(jìn)巨噬細(xì)胞自噬發(fā)生,提高腸黏膜的免疫水平,改善炎癥癥狀,調(diào)節(jié)腸道菌群,恢復(fù)腸黏膜保護(hù)屏障[63]。中藥芍藥的主要活性成分是芍藥苷,具有抗炎、抗?jié)?、調(diào)節(jié)免疫的作用。在潰瘍性結(jié)腸炎的小鼠模型中添加芍藥苷,可提升小鼠結(jié)腸組織LC3Ⅱ/Ⅰ蛋白表達(dá)水平,下調(diào)p62蛋白表達(dá),并有效抑制mTOR,降低結(jié)腸組織促炎細(xì)胞因子的mRNA轉(zhuǎn)錄水平,恢復(fù)腸道菌群的豐度[64]。綜上所述,以自噬相關(guān)蛋白LC3Ⅱ、Beclin1、p62為治療靶點,調(diào)節(jié)自噬,可能提升腸黏膜的免疫強(qiáng)度,抑制炎癥反應(yīng),保持腸道菌群穩(wěn)定,恢復(fù)腸道黏膜的保護(hù)屏障。

由此可見,植物的活性成分大部分可以通過調(diào)節(jié)信號通路,誘導(dǎo)自噬發(fā)生,進(jìn)而調(diào)節(jié)改善機(jī)體病癥。植物活性成分療效好,安全性高,越來越受到畜牧業(yè)的關(guān)注,也為生產(chǎn)中動物疾病預(yù)防與治療提供了新方法和新思路。

4 小 結(jié)

自噬和動物機(jī)體之間存在復(fù)雜的相互作用,在生產(chǎn)過程中的各個階段均對動物機(jī)體產(chǎn)生重要的影響,通過添加植物活性成分對機(jī)體自噬的調(diào)節(jié),利用動物機(jī)體自身免疫對生產(chǎn)中動物疾病進(jìn)行防治,更有利于畜牧業(yè)健康、綠色發(fā)展。但是,針對不同病原體、宿主條件,自噬是一把雙刃劍。目前,自噬調(diào)節(jié)對一些病原微生物侵入機(jī)體后的作用機(jī)制還尚不清楚,未來的研究對于促進(jìn)了解細(xì)胞感染機(jī)制及其對動物健康影響的理解是必要的,也是后續(xù)研究的重點與難點。