禽类硒蛋白基因组与营养代谢病相关性研究进展

黄家强 任发政 雷新根 王鹏杰*

(1.中国农业大学营养与健康系，食品精准营养与质量控制教育部重点实验室，北京 100083；2.北京食品营养与人类健康高精尖创新中心，北京 100083；3.美国康奈尔大学动物科学系，纽约 14853)

硒(selenium，Se)是人与动物必需的微量矿物元素，在维持细胞和组织功能方面发挥重要作用[1-3]。在家禽生产中，饲粮中硒的缺乏会引起雏鸡3种营养性代谢疾病：渗出性素质(exudative diathesis，ED)、营养性胰腺萎缩(nutritional pancreatic atrophy，NPA)和营养性肌肉萎缩(nutritional muscular dystrophy，NMD)。硒主要以硒蛋白的形式发挥功能，目前在家禽中发现24种硒蛋白基因，但这些硒蛋白基因在经典缺硒病发病机制中的代谢作用和分子机制尚不清楚[4-6]。小鼠有24种硒蛋白基因，其中大多数已经通过基因编辑技术实现了敲除或条件性敲除，这些基因遗传模型的建立将极大促进我们对硒与代谢疾病的了解和疾病机制的研究[7]。鸡的转基因技术发展落后于哺乳动物，主要归咎于禽类有别于哺乳动物的生殖发育特点。禽类缺硒代谢疾病的研究集中于表征这些疾病的生化和组织学变化，以及在鸡不同组织中硒蛋白基因的mRNA表达变化[5-6,8-9]，尚缺乏利用遗传学模型来解析硒蛋白基因在营养代谢中的关键作用。因此，本文将对禽类的硒蛋白基因组及其与哺乳动物硒蛋白基因组的比较以及禽类硒蛋白基因组与营养代谢病的关系2个方面进行综述。

1 禽类的硒蛋白基因组及其与哺乳动物硒蛋白基因组的比较

鸡的体内有24个已确定的硒蛋白编码基因和1个尚未确定的与人类同源的硒磷酸合成酶2(SEPHS2)[8]，鸡的硒蛋白基因组见表1。在禽类和哺乳类动物中22个硒蛋白基因比较保守，具体为：4个谷胱甘肽过氧化物酶家族[(谷胱甘肽过氧化物酶1(GPX1)、谷胱甘肽过氧化物酶2(GPX2)、谷胱甘肽过氧化物酶3(GPX3)和谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)]，3个脱碘酶家族[脱碘酶1(DIO1)、脱碘酶2(DIO2)和脱碘酶3(DIO3)]，3个硫氧还蛋白家族[硫氧还蛋白酶1(TXNRD1)、硫氧还蛋白酶2(TXNRD2)和硫氧还蛋白酶3(TXNRD3)]，以及蛋氨酸亚砜还原酶B1(MSRB1)、硒蛋白F(SELENOF)、硒蛋白H(SELENOH)、硒蛋白I(SELENOI)、硒蛋白K(SELENOK)、硒蛋白M(SELENOM)、硒蛋白N(SELENON)、硒蛋白O(SELENOO)、硒蛋白S(SELENOS)、硒蛋白T(SELENOT)、硒蛋白U(SELENOU)和硒蛋白W(SELENOW)各1个[7]。与哺乳动物相比，禽类包含2个特异的SELENOU和硒蛋白P2(SELENOP2)，丢失了在哺乳动物中确定的谷胱甘肽过氧化物酶6(GPX6)和硒蛋白V(SELENOV)[10-11]。硒蛋白P(SELENOP)基因有2个，分别是硒蛋白P1(SELENOP1)和SELENOP2，其分别含有13个硒代半胱氨酸(Sec)和1个Sec。

表1 鸡的硒蛋白基因组及其功能

2 禽类的硒蛋白基因组与营养代谢病的关系

尽管禽类与哺乳动物的硒蛋白基因组拥有许多相似之处，但是在缺硒的营养水平下，禽类和哺乳动物的代谢变化以及下调的硒蛋白基因却差别很大[8,13]。啮齿动物对于硒缺乏的营养状态并未表现出体重的变化，且大部分硒蛋白基因的表达变化不明显[14]，但是在肉鸡生长发育的早期，饮食中的硒含量(低或高)均显著影响肉鸡的生长状况[5,15]。上述研究结果说明相对于啮齿动物，鸡对于机体内的硒含量及饮食中的硒含量更为敏感[5-6,14]。

2.1 硒蛋白基因组与肝脏坏死

与其他器官相比，肝脏中硒含量较高，同时在大分子物质的生物合成、营养物质代谢以及解毒方面具有重要作用[16]。在饮食中硒缺乏的营养状态下，会导致大鼠肝脏坏死[17]，也会影响猪肝脏的营养状态[18]。在低硒状态下，哺乳动物肝脏中有5个硒蛋白基因(GPX1、GPX3、SELENOH、SELENOK和SELENOW)的mRNA表达下调至正常硒水平的40%[19-20]，肝脏中GPX4活性仅为正常硒水平的50%[14,21]。但是在缺硒状态下，在鸡的肝脏中许多硒蛋白基因(包括DIO1、GPX1、GPX3、GPX4、MSRB1、SELENOF、SELENOI、SELENOK、SELENOM、SELENON、SELENOO、SELENOP1、SELENOS、SELENOT、SELENOU和SELENOW)的mRNA表达均下调[5,22]，且肝脏中GPX4活性下降至正常硒水平的7%～10%[5,14]。在鸡中绝大部分的硒蛋白基因的表达受硒调控，同时鸡相比其他物种需要更高的硒水平，这也表明在禽类中具有独特的硒蛋白基因调控模式[5-6,23]。这些下调表达的基因包括谷胱甘肽过氧化物酶类(GPX1、GPX3和GPX4)[1-2,5-6]、抗氧化蛋白类(SELENON、SELENOT、SELENOU、SELENOW)[12,24]以及氧化还原酶类(SELENOM)[9]。这些基因均作为氧化还原平衡可能的调控因子或者这些基因本身的表达变化，直接或者间接地影响缺硒雏鸡肝脏中的细胞凋亡[6]。同时还发现在缺硒雏鸡的肝脏中与内质网应激相关的基因葡萄糖调节蛋白78(glucose-regulated protein 78，GRP78)、葡萄糖调节蛋白94(glucose-regulated protein 94，GRP94)、转录激活因子4(activating transcription factor 4，ATF4)、转录激活因子6(activating transcription factor 6，ATF6)和肌醇酶(inositol-requiring enzyme，IRE)以及与凋亡相关的基因天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶(Caspase)-3均出现mRNA表达上调，这也说明硒蛋白基因的表达变化可能通过影响内质网的氧化应激进而导致肝脏坏死[25]。

2.2 硒蛋白基因组与NPA

胰腺组织是雏鸡缺硒的主要靶器官[5,13-14]，饮食中硒缺乏会引起NPA，主要表现为胰腺重量减轻、器官指数下降、发育异常、退化、坏死直至萎缩，同时伴随着相邻组织的畸形生长[26-27]。与对照组相比，硒缺乏组鸡的胰腺外分泌腺上皮细胞的超微结构发生显著变化，粗面内质网和线粒体扩张破坏了分泌腺上皮细胞外膜，进而造成线粒体肿胀、嵴溶解。与对照组相比，在硒缺乏组鸡的胰腺腺泡细胞中线粒体的数量以及线粒体蛋白的含量减少了27%～55%[28]，补充硒后，胰腺细胞迅速再生，纤维组织消失，胰腺最终恢复正常[26]。在胰腺中有些硒蛋白基因例如GPX3、SELENOK和SELENOP1的mRNA表达量与看家基因甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH)相当[14]，还有5个硒蛋白基因包括MSRB1、SELENOS、SELENOU、SEPHS2和TXNRD1的mRNA表达量也相对较高[29]。硒缺乏的情况下，鸡胰腺中的硒蛋白转录均下调表达，25个硒蛋白基因中有1/2以上表达都显著降低[29]。在胰腺中，受缺硒调控显著下调表达的硒蛋白基因，包括9个定位在线粒体上的硒蛋白基因，分别是GPX1、GPX2、GPX4、SELENOM、SELENOO、SELENOU、TXNRD1、TXNRD2和TXNRD3。大部分硒蛋白被认为具有抗氧化功能，线粒体中硒蛋白下调表达可能是导致缺硒NPA的最主要原因[28]。

2.3 硒蛋白基因组与NMD

另一个经典的缺硒疾病模型是NMD。以基础饲粮(10 μg/kg硒，不添加维生素E)饲喂1日龄的肉鸡，从第3周开始，会产生较高的NMD发病率(93%)和死亡率(36%)[6]。在NMD发病前第2周，与正常对照组相比，缺硒组的雏鸡肌肉组织中有11个硒蛋白基因(GPX1、GPX3、GPX4、SELENOF、SELENOH、SELENOK、SELENOM、SELENOO、SELENOP1、SELENOU和SELENOW)的表达下调，剩余的13个硒蛋白基因(DIO1、DIO2、DIO3、GPX2、MSRB1、SELENOI、SELENON、SELENOP1、SELENOS、SELENOT、TXNRD1、TXNRD2和TXNRD3)以及SEPHS2在肌肉组织中的表达并未受到饲粮中硒水平和维生素E含量的影响。值得注意的是，肌肉组织中GPX1、GPX3、GPX4、SELENOF、SELENOP1和SELENOW的表达下调已经被多个研究结果证实[5,25]。因此，普遍认为这些含硒蛋白作为主要的过氧化物清除剂进而保证肌肉完整性和功能。科学家们普遍认为活性氧(ROS)是一种有效的诱导细胞凋亡的物质，进而导致肌肉营养不良。之前有研究表明部分硒蛋白通过介导p53/Caspase-9/Caspase-3、环氧化酶2(cyclooxygenase 2，COX2)/黏附斑激酶(focal adhesion kinase，FAK)/磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol 3 kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，Akt)/核因子-κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)和p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinase，p38MAPK)/c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)/细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)3种氧化还原/凋亡信号通路，进而可以防止NMD的发生[6]。由于鸡骨骼肌细胞的凋亡可能通过p53依赖性或者独立性途径进行调节，因此缺硒上调了凋亡蛋白(Caspase-3、Caspase-9和p53)的表达以及下调了促凋亡蛋白(Caspase-3酶原和Caspase-9酶原)的表达，进而诱导凋亡级联反应[6]。还有研究表明，在硒缺乏的巨噬细胞中氧化还原敏感转录因子NF-κB被激活，随后上调了巨噬细胞中的COX2，NF-κB的激活导致骨骼肌蛋白的丢失和诱导的萎缩。在缺硒雏鸡中，引发肌肉肥大及萎缩的关键信号通路相关因子COX2、FAK、PI3K和磷酸化蛋白激酶B(phospho-protein kinase B，p-Akt)上调表达。另外，p38MAPK/JNK/ERK的持续激活是导致细胞凋亡的另一个途径，因此在缺硒雏鸡肌肉组织中总的p38MAPK、磷酸化的MAPK和磷酸化的JNK以及磷酸化的ERK蛋白的上调表达也可以解释NMD疾病的发生[6]。

3 硒水平对禽类硒蛋白基因组的调控模式

硒缺乏导致禽类的一系列硒蛋白基因的表达下调，随后便出现了心脏、胃和肌肉的病变。与肉鸡相比，在火鸡中显著受缺硒调控下调表达的有肝脏中的GPX1、GPX3、SELENOH和SELENOU，肌胃中的GPX1、GPX3、GPX4和SELENOH，胰腺中的GPX3、SELENOH和SELENOP1，心脏中的GPX1、GPX3、GPX4、SELENOH和SELENOP1，肾脏中的DIO1、GPX1、GPX3、GPX4、SELENOH和SELENOP1，大腿肌肉中的GPX1、GPX4和SELENOH，胸肌中的GPX1和SELENOH[30-31]。值得注意的是，不同研究组对鸡采用了不同水平的硒(0.014～0.030 mg/kg代表低硒饮食，而0.15～0.30 mg/kg代表高硒饮食)[5,29,32]，但是在火鸡的相关研究中使用了更为广泛的硒水平(0～1 mg/kg)[30-31]。这或许能部分解释鸡与火鸡饲粮中硒水平对硒蛋白基因表达调控的差异。虽然很难总结出饲粮中的硒水平对硒蛋白基因组的调控模式，但是我们可以将其分成敏感和不敏感2类。在鸡的许多组织中，响应硒水平较为敏感的硒蛋白基因主要包括GPX1、GPX3、GPX4、SELENOM、SELENOP1和SELENOU，然而DIO1、DIO2、DIO3、GPX2、SELENOP2、TXNRD2和TXNRD3则对硒水平及饲粮中硒的摄入变化不敏感[5-6,13,22]。此外，禽类硒蛋白基因的调控模式也有独特的特征。首先，硒蛋白基因GPX1和GPX4在鸡的组织中mRNA表达量显著受饲粮中硒水平调控，但是其编码的蛋白却并未发生相应变化[5]。同样地，尽管缺硒雏鸡中GPX3 mRNA表达量低，但是饲粮中的硒和维生素E水平都不影响肌肉中GPX3蛋白表达水平[6]。相反地，肌肉组织中SELENON蛋白呈下调表达，但却并未检测到SELENONmRNA表达量的变化[5]。其次，在缺硒雏鸡的肝脏组织中GPX4 mRNA表达量显著下调[5,22]，但在小鼠[14]、大鼠[33-34]和猪[35]中却没有明显变化。越来越多的证据表明，饲粮中硒缺乏或者过量均会影响雏鸡以及其他物种硒蛋白基因的表达及功能[5-6,15,20,34]。此外，硒蛋白基因的表达还受到高脂饮食、维生素E以及硒添加形式的影响[36]。值得注意的是，试验动物的饲粮维生素E水平存在差异，这一点或许也能解释为什么在缺硒条件下，有的是大部分硒蛋白基因显著下调，而有的则是仅少部分硒蛋白基因下调表达[22,30-31]。此外，不同物种或品系之间，实际对硒的需求和硒代谢的不同也可能导致这些差异。

4 小结与展望

鸡已经被鉴定的硒蛋白基因有24个，包括22个与哺乳动物同源的硒蛋白基因，2个鸡特有的SELENOU和SELENOP2，丢失了哺乳动物中确定的GPX6和SELENOV。尽管鸡的硒蛋白基因组与哺乳动物的差别不大，但是与哺乳动物相比，鸡中硒蛋白基因的表达显著受饲粮硒水平的调控。同时，雏鸡饲粮中硒/维生素E的缺乏会导致禽类特有的营养代谢疾病，这种雏鸡特有的代谢疾病对肉鸡生产造成重大经济损失。但因技术所限，近几十年的研究主要集中在通过饲喂缺硒饲粮的试验复制并模拟经典的缺硒病模型，且仅局限于其病理、生理和生化表象的研究以及在雏鸡的不同组织的硒蛋白基因mRNA的变化情况，而硒蛋白基因在这些经典的疾病模型中的营养代谢作用与分子机制尚不清楚。因此，有必要构建硒蛋白基因编辑鸡模型，深入探究硒蛋白基因在机体内的分子机制。