维生素A缺乏导致器官发育异常的研究进展

张卉 冯一

摘 要：综述了维生素A缺乏导致脑组织、免疫系统的损伤和胚胎发育异常的研究进展，并简要概述了可能的作用机制。

关键词：维生素A缺乏;脑功能;免疫系统;胚胎发育

维生素A是人体必需的微量元素，其氧化产物视黄酸（RA）是维生素A在体内发生多種生物作用的活性形式，在视觉形成、细胞分化、胚胎发育、免疫应答和神经系统发育等方面都发挥着重要作用。维生素A缺乏（VAD）是世界卫生组织确认的四大营养缺乏症之一，多见于婴幼儿。据WHO估计，全球有1.9亿（33.3%）学龄前儿童存在VAD，2015年我国12岁及以下儿童中VAD的发生率为5.16%，边缘性维生素A缺乏（MVAD）的发生率为24.29%[1];2016年中国疾病预防控制中心针对全国22个中西部省份儿童的调查数据显示，我国学龄儿童VAD及亚临床缺乏率高达32.9%。VAD多见于低龄儿童，5岁以下儿童的缺乏率为9.23%，农村儿童缺乏率显著高于城镇儿童[1]，内蒙、新疆、甘肃等边远地区的缺乏率（20.2%）显著高于浙江等发达地区儿童的缺乏率（3.08%）[2]。过去对于VAD造成的影响一直集中在较为严重、会威胁到生命的疾病上，近些年，随着人们对于VAD的问题越来越重视，其对于脑发育的损伤逐渐得到发现，对于免疫系统和胚胎发育的作用也得到了进一步的认识。本文综述了近几年关于VAD对于脑组织、免疫系统的损伤和胚胎发育异常的相关研究进展，简要概述了可能的作用机制。

1 维生素A缺乏导致脑发育异常

1.1 对海马回的影响

海马回是大脑中的最佳学习区域，含有能特异性识别RA的RARα受体。大鼠实验中发现，VAD能阻断RARα受体或RARβ受体表达，导致海马回中的长时程增强（LTP）和CA1区域的长时程抑制（LTD）消失，大鼠穿越迷宫的能力显著下降。这可能是由于VAD导致受RARα调节的N-甲基-D-天门冬氨酸（NMDA）受体亚单位NR1基因的表达降低，由该基因支配的电压依赖性钙离子通道出现异常，损伤了海马回的神经可塑性[3]。后续的研究发现，RARα对NR1的作用可能是通过非受体酪氨酸激酶Scr介导完成的[4]。VAD导致的海马回功能障碍和学习能力障碍还可能是由RARα控制环AMP反应元件结合蛋白介导的组蛋白乙酰化下降造成的[5-6]。VAD能通过NGF（神经生长因子）/TrkA通路，或在NGF作用下经中隔海马胆碱能途径的间接作用阻碍海马回中神经元的分化形成[3]，该机制可能与大鼠空间记忆损伤有关[3，6]。

1.2 对下丘脑的影响

下丘脑是激素调节的指挥中心，含有大量RARβ受体。研究发现，生命早期VAD能够通过减少下丘脑中RARβ和CD38的表达，阻断CD38-OXT 旁路，降低血清中后叶催产素（OXT）的水平，导致实验动物出现自闭症样行为[7]。临床研究还发现，自闭症儿童存在明显的VAD，给自闭症儿童补充维生素A后，儿童孤独症频分量表（CARS）评分显著降低，自闭症状有明显改善[8]。下丘脑中的RA水平还参与了大鼠体重、生长速度和食欲季节变化的调节，给实验动物停用维生素A后，其血清视黄醇浓度立刻出现下降，体重和食欲的减退也随之出现[7]。

2 维生素A缺乏导致免疫功能改变

2.1 氧化损伤和炎性改变

维生素A进入人体后以视黄醇的形式发挥作用，它能与视黄醇结合蛋白（RBP）和甲状腺素运载蛋白结合，作用于特定靶细胞或细胞核，参与视敏度、上皮组织完整性、免疫能力和基因表达的调节。VAD使以上功能无法实现，出现上皮角化、免疫力下降，患儿会出现发热、严重角膜结膜炎、抗生素治疗无效的脓尿菌尿以及尿培养铜绿假单胞菌持续阳性等炎症和感染表现[9]。VAD导致的氧化损伤和炎性改变，可能与体内NO水平的增加有关。动物实验发现，大鼠VAD时，体内IL-1β表达增加，血清中由其介导产生的NO相关分子数量增加，后者与超氧阴离子结合能够产生具有强氧化作用的过氧亚硝酸盐，介导低密度脂蛋白（LDL）氧化作用，巨噬细胞大量吞噬氧化低密度脂蛋白（OX-LDL）形成泡沫细胞，最终造成主动脉发生粥样硬化和炎性改变，病变部位可检测到TNF-α、NADPH氧化酶NOX-2、血管内皮黏附因子VCAM-1和转化因子TGF-β1等炎症因子表达增加和谷胱甘肽（GSH）水平降低[10-11] 。VAD导致的炎性改变，还可能与NF-κB信号通路和p38MAPK信号通路的激活有关。研究发现，VAD能显著减少草鱼肠道中段和末端中IκBα mRNA的表达，使作为NF-κB通路关键因子的NF-κB p65和c-Rel mRNA表达显著增加，激活NF-κB信号通路，促炎因子TNF-α、IFN-γ2、IL-1β、IL-6、IL-15＼IL-17D、IL-12p35 mRNA表达增加，抗炎因子IL-10、IL-11、TGF-β1、TGF-β2、IL-4/13A、IL-4/13B mRNA表达减少，导致炎症肠道炎症发生。VAD导致的p38MAPK信号通路的激活，也可发挥相似作用，但具体作用机制尚不清楚[12]。

2.2 免疫耐受受损

经肠道免疫耐受的建立，是预防过敏反应和其他免疫性疾病的重要机制。VAD可通过多种机制影响免疫耐受形成。存在先天性VAD的新生小鼠肠壁通透性较高，辣根过氧化物酶（HPR）和磺酸等抗原物质能轻易跨越肠壁;VAD使肠道淋巴结中具有视黄醛脱氢酶（RALDH）活性的CD103+树突细胞不能有效识别这些抗原物质，Th1细胞的活化和增殖受到抑制，导致免疫耐受形成受阻，引发过敏反应[13]。RA在诱导Foxp3+ Treg细胞产生中发挥重要作用。在成年鼠的体内研究发现，VAD导致CD4+T细胞的生长分化受阻，TGF-β分泌减少，经CD11c+细胞诱导产生的Foxp3+ Treg细胞数量下降，无法有效抑制进入体内的抗原物质引发的免疫反应，使体内OVA特异性抗体和细胞因子数量增加[14]，引发全身性免疫反应。

2.3 肠道微生物种类和数量改变

VAD通过破坏肠道黏膜免疫平衡，对微生物群种类和所占比例的变化造成间接影响[15]，导致感染发生和代谢改变。大鼠体内VAD会引起肠道分泌黏液的杯状细胞在结肠中排列改变，MUC2 mRNA表达下降导致杯状细胞分泌黏液減少，胃肠道腔体与肠道内容物之间的黏膜屏障破坏，使得致病菌入侵肠道上皮，粘附在细胞表面;与此同时，VAD能影响肠道内潘氏细胞的分化成熟，使defensin 6 mRNA表达下降，防御素含量减少，无法通过破坏细菌细胞膜发挥抗菌作用;VAD还能识别革兰阳性肽聚糖和脂肽的toll样受体2（TLR2）和能识别病原体鞭毛蛋白的toll样受体5（TLR5）表达异常增加。多条途径共同导致VAD大鼠肠道内菌群结构发生改变，乳酸杆菌比例下降，致病性大肠杆菌菌株数量增加[16]。还有研究发现，VAD时可观察到小鼠肠道黏膜上皮出现异常改变，杯状细胞数量增加，回肠中的共生菌分节丝状菌（SFB）、硬壁菌门和变形杆菌等数量均减少，共生菌产生的ATP也随之减少，其诱导的结肠固有层中特异性高CD70低CD11细胞产生的Th17细胞也随之减少[17]。VAD导致的盲肠中厚壁菌/拟杆菌比例增加，结肠内梭菌XVIII和罗氏菌含量减少[18]，也可能与此有关[15]。菌群比例的改变会导致代谢异常，血糖升高，对胰岛素反应不敏感，脂质氨基酸水平降低，产生丁酸盐的能力降低，最终对宿主能量代谢和肠道免疫功能造成影响[15]。 杯状细胞分泌的岩藻糖化糖蛋白释放的岩藻糖，能被共生微生物代谢，成为其能量来源，保护宿主免受内源性病原体感染、增加其对感染的耐受性[19]，VAD使具有促炎抗菌活性的3型天然淋巴细胞（ILC3）和细胞因子的产生减少[20]，杯状细胞分泌的岩藻糖基化糖蛋白的结构发生改变[21]，使肠道菌群共生基础的岩藻糖基化过程受阻。

3 维生素A缺乏导致的表观遗传学改变与胚胎发育异常的关系

3.1 DNA异常甲基化

维生素A，尤其是其活性状态视黄醇，是诱导各种表型效应产生表观遗传改变和修饰的有效制剂[22]，它能通过TET蛋白使胞嘧啶（5mC）去甲基化形成5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）。研究发现，在体外培养的原始胚胎干细胞（nESCs）中加入视黄醇物质后，细胞中5mC数量显著减少和5hmC数量的增加，在这些nESCs中可检测到TET2和TET3mRNA的表达明显增加;使用CRISPR/Cas9可证实视黄酸反应元件（RARE）在视黄醇对TET2的调节中起指导作用[23]。若培养基中缺乏视黄醇物质，胚胎干细胞中的5hmC水平就会出现明显下降[23]，这可能是由于VAD能抑制TET蛋白功能，导致DNA去甲基化过程受到抑制，DNA甲基化/去甲基化比例失调。生命早期营养素和环境因素导致的表观遗传方式改变如DNA异常甲基化，会导致日后代谢性疾病的发生[24]。

3.2 胎儿和新生儿形态发育异常

VAD导致的胚胎发生和胎盘发育异常与DNA异常甲基化相关[21]。李娜等[25]的动物实验发现，VAD会导致母鼠不孕、流产和子代畸形，研究中他们使用重亚硫酸盐测序法检测了VAD及补充对E12.5d大鼠胚胎Hoxa5基因启动子上游区DNA甲基化水平的影响，并使用RT-PCR和 western blot分别检测这些大鼠胚胎中视黄酸受体（RARs）基因、Hoxa5基因mRNA水平和蛋白水平的表达，发现VAD及MVAD可能通过干扰RARs基因mRNA水平和蛋白水平的正常表达，抑制同源盒基因（Hox genes）启动子上游区域在胚胎发育过程中的去甲基化作用，致使Hox基因在转录水平和翻译水平下调，从而产生对胚胎的发育毒性，使胚胎的各器官出现畸形，如颅骨畸形、无眼或小眼、腭裂、釉质和牙本质发育不良、心脏畸形、环状软骨和气管软骨的缺陷、肾移位等。还有研究发现，取E13.5d的VAD鼠胚胎心脏组织，使用亚硫酸氢盐特异性聚合酶链反应（BSP）提取DNA，克隆测序GATA-4基因中的可疑甲基化位点CpG岛，可检测到VAD鼠胚胎心脏中介导心肌细胞分化、增殖和存活的GATA-4基因甲基化率明显增加。这可能是由于VAD导致胚胎心脏中参与GATA-4基因甲基化的DNA甲基转移酶1（DNMT1）表达上调，维持正常形态发育的DNMT3a和DNMT3b表达下调，使GATA-4基因表达受阻，最终导致胚胎心脏畸形[26]。VAD导致的子代畸形与DNA异常甲基化关系密切，其具体的作用机制以及VAD导致的其他表观遗传学改变还需未来通过更多的动物实验进一步探索。

4 结论

维生素A对大脑认知功能、免疫功能和DNA的甲基化过程产生重要影响，其缺乏将导致各组织器官内RA相关的基因无法正常表达、信号通路无法正常发挥作用，最终造成形态学改变和功能障碍。未来的研究应该更加致力于对VAD发病机制的研究，减少VAD对于儿童健康的威胁。

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Abstract：This paper reviewed research progress on brain dysfunction，immune injury and abnormal embryonic development caused by vitamin A deficiency（VAD），and detailed possible mechanisms.

Keywords：vitamin A deficiency（VAD）;brain function;immune system;embryo development

（责任编辑 李婷婷）