益生菌與動物腸道自由基的關系

腸道是物質與能量代謝十分旺盛的器官,氧化還原反應劇烈,細胞代謝產生大量自由基?一定水平的自由基對腸道免疫功能具有積極作用,但過量自由基會引起腸道損傷?脂質過氧化?加速細胞衰老等一系列危害?

腸道益生菌對動物營養(yǎng)物質的消化吸收?腸道組織發(fā)育?免疫調節(jié)及抑制致病菌的侵染等有著重要生理作用?益生菌調節(jié)動物腸道生理功能的機制十分復雜。

本文對益生菌在通過調控腸道自由基水平,既可發(fā)揮免疫調節(jié)作用,又防止對腸道氧化損傷的功能及其相關機制進行了綜述?

1   細菌誘導腸道組織產生自由基的機制

腸黏膜上皮組織及細胞受到某些細菌刺激后,會產生活性氧自由基(ROS),這些 ROS 參與腸道生理功能的調控?細菌誘導的腸道細胞 ROS主要是由還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶家族(NADPH oxidase,NOX)催化合成的,NOX 家族中 NOX1 和雙氧化酶( dualoxidase,DUOX)在腸道組織中表達豐度很高[1]?病原菌能夠刺激機體腸道組織產生并釋放大量ROS,這些 ROS 可以協(xié)助機體對抗病原菌侵染,同時,也會引起嚴重的炎癥反應,造成腸黏膜損傷[2-3]?病原菌釋放游離的尿嘧啶堿基作為信號分子,通過 G 蛋白偶聯(lián)受體(Gprotein?coupledreceptors, GPCRs),激活腸黏膜上皮細胞中的DUOX,誘導合成大量 ROS(圖 1)[3-5]?與病原菌不同,部分益生菌也能刺激腸道產生少量的ROS,這些ROS 不僅不會損傷腸道,還對腸道維持正常的生理功能有益?Alam 等[6]研究發(fā)現(xiàn),益生菌能夠通過刺激腸道吞噬細胞膜上的甲酰肽受體(formyl peptide receptors,FPRs),激活 NOX2,誘導機體腸道吞噬細胞產生 ROS? Leoni 等[7] 的研究指出,乳酸菌誘導的細胞 ROS 產生及細胞增殖依賴于腸上皮細胞的NOX1?Jones 等[8]利用從果蠅腸道中分離的乳酸桿菌進行的研究表明,該菌能夠通過激活 NOX1 誘導腸道組織產生釋放ROS,這些ROS 可以刺激小鼠?果蠅等模型動物腸道干細胞的分化,促進腸組織更新?Yan 等[9] 的研究則發(fā)現(xiàn),益生菌能夠通過產生可溶性蛋白成分,誘導宿主腸道合成一定量的 ROS,有助于腸道細胞的存活及其生長增殖?益生菌的誘導腸道細胞產生ROS 的機制與致病菌完全不同,其通過細胞壁上肽聚糖分子中的N-甲酰肽作用于腸黏膜細胞膜上的FPRs,激活細胞中的NOX1,合成一定量的ROS(主要是超氧陰離子),這些 ROS 可以激活相關信號通路,刺激腸黏膜組織的更新[3]?

2   益生菌對腸道自由基的清除作用

過量的自由基會引起腸道組織受損,腸黏膜通透性增加,進而誘發(fā)腸黏膜潰瘍和炎癥反應;對腸道尚未發(fā)育完全的動物而言,自由基造成的腸黏膜損傷會導致其死亡[10-12]?腸道益生菌參與清除機體腸道代謝產生的自由基,從而保護腸道組織免于自由基的氧化損傷?益生菌產生的過氧化物歧化酶 ( SOD )?谷胱甘肽過氧化物酶(GSH?Px)?含錳假性過氧化氫酶以及硫氧還蛋白還原酶?煙酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化酶等還原酶具有清除ROS 的作用[13-16]?腸道中的 ROS 主要包括超氧陰離子?過氧化氫(H2O2)和羥基自由基等,其中羥自由基的活性最強,對細胞核酸?蛋白質和脂類等均有很強的氧化性,其能夠顯著誘導益生菌抗氧化相關酶的表達,激發(fā)益生菌的抗氧化能力[17]?Kullisaar 等[17]從 1 名健康兒童的腸道菌群中分離得到 2 株抗氧化菌株,這2 株菌對過氧化氫?超氧陰離子?羥自由基等活性氧具有明顯的抗性?韓偉等[18]從腌制蔬菜中分離的 5 株菌均表現(xiàn)較強的自由基清除能力,這些菌株對1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)?羥自由基等的清除率和脂質過氧化的抑制率相對較高?白明等[19]研究了乳桿菌?雙歧桿菌?嗜熱鏈球菌和乳酸乳球菌等 40 株益生菌的抗氧化能力,結果證明,多數(shù)益生菌具有清除自由基的能力,但種屬和菌株間差別較大,其中乳酸乳球菌清除自由基能力最強,嗜熱鏈球菌次之,乳桿菌?雙歧桿菌則比較弱?這些體外試驗結果表明,益生菌能夠清除自由基,其主要機制可能是自由基刺激了菌體相關還原酶系的活性,從而激發(fā)了益生菌的還原能力,進而清除自由基?體內試驗也表明,益生菌可提高動物機體的抗氧化能力,清除體內代謝產生的自由基,發(fā)揮抗衰老作用?不同研究者以小鼠為模型,研究凝結芽孢桿菌?雙歧桿菌?德氏乳桿菌?富硒沼澤紅假單胞菌等益生菌的抗氧化作用,結果表明,其血清?肝臟?腦等組織中SOD?GSH?Px等相關還原酶的活性提高,丙二醛(MDA)含量下降,抗衰老相關基因的表達水平上調[20-26]?聞平等[27] 的研究發(fā)現(xiàn),明串珠菌可提高家兔血清 GSH?Px?SOD等還原酶的活性,降低血清 MDA 含量,并維持較長時間,這提示明串珠菌及其發(fā)酵產物有提高家兔抗氧化能力的作用?這些體內研究結果提示,益生菌能夠刺激機體還原酶的表達或提高其活性,從而協(xié)助機體清除代謝產生的 ROS,從而發(fā)揮抗氧化作用?

3   自由基在益生菌發(fā)揮生理功能過程中的作用

ROS 的產生是吞噬細胞對細菌(包括致病菌和共生菌)免疫應答的重要特征,這提示 ROS 在益生菌與宿主互作過程中發(fā)揮重要作用?腸道益生菌能夠誘導果蠅腸道組織氧化酶系統(tǒng)的表達,刺激腸道細胞產生過氧化氫,進而抑制病原菌在腸道中的增殖及其侵染作用,從而維持腸上皮的完整性[28-29];植物體受到細菌刺激時也會產生ROS,從而抑制病原菌對自身的侵染,保護自身組織?細胞免受病原破壞[2]?Kumar 等[1] 的研究發(fā)現(xiàn),鼠李糖乳酸桿菌(Lactobacillus rhamnosus GG,LGG)能夠顯著刺激 Caco?2 細胞釋放ROS,這些ROS能夠誘導細胞泛素-蛋白酶體信號途徑中泛素連接酶 12 ( ubiquitin conjugatingenzyme 12,Ubc12)半胱氨酸殘基的氧化失活,進而抑制核轉錄因子-κB(NF?κB)炎癥信號通路的活性,從而發(fā)揮其免疫調節(jié)作用?Lin 等[30]利用小鼠進行的體內試驗也得出相似的結論,LGG誘導的 ROS 能夠導致細胞內 Ubc12 失活,抑制泛素-蛋白酶體信號途徑活性,進而阻止 NF?κB炎癥信號通路激活,阻止細胞炎癥反應,并保護幼齡動物腸道黏膜組織的完整性,防止腹瀉等疾病的發(fā)生?

此外,ROS 還作為炎癥因子及生長因子刺激的細胞信號轉導過程的第二信使?在這一過程中,益生菌誘導產生的ROS 會導致細胞信號通路相關蛋白的巰基迅速氧化失活,從而發(fā)揮第二信使功能?細胞內的酪氨酸磷酸酶就是這樣一類受ROS調節(jié)的巰基蛋白酶,而酪氨酸磷酸酶是絲裂原活化蛋白激酶(mitogen?activated protein kinase,MAPK)?黏附斑激酶(focaladhesion kinase,FAK)和NF?κB 信號通路的重要調節(jié)因子,這些信號通路在機體腸道免疫調節(jié)?細胞增殖和運動等過程中發(fā)揮著重要作用[31-32]?因此,腸道益生菌可通過刺激機體產生ROS,調節(jié)上述細胞信號通路,從而發(fā)揮相關生理調節(jié)作用?

4   小 結

受到細菌等刺激后,產生釋放自由基是一種十分保守的免疫調節(jié)機制,從植物到高等動物均存在類似的機制?動物腸道中生存著大量微生物,這些微生物通過調節(jié)腸道細胞自由基的水平,影響相關細胞信號通路的活性,從而調節(jié)機體腸道生理功能,這是腸道益生菌發(fā)揮生理作用的重要機制?解析益生菌誘導及清除腸道自由基的機制,揭示自由基作為第二信使在益生菌刺激的細胞信號轉導過程中的作用,對全面了解腸道益生菌的免疫調節(jié)作用機理?探究腸道菌群與宿主健康的關系以及新型益生菌制劑的開發(fā)具有重要意義?

參考文獻:

[ 1 ]   KUMARA, WU      H, COLLIER?HYAMS        L       S, et   al.Commensalbacteria modulate cullin?dependent signaling via generationof reactive oxygen species[ J] .The

EMBO Journal,2007,26(21):4457-4466.

[ 2 ]   KIM SH,LEE W J.Role of DUOX in gut inflammation:lessons from Drosophila model of gut?microbiotainteractions[ J] .Frontiers in Cellular andInfection Microbiology,2013,3:116.

[ 3 ]   PATEL P H,MALDERA J A,EDGAR B A.StimulatingcROSstalk between commensal bacteria and intestinal stem cells [ J ] . The EMBOJournal, 2013, 32

(23):3009-3010.

[ 4 ]   LEE K A, KIM S H, KIM E K, et al. Bacterial- derived uracil as a modulator of mucosal immunity andgut?microbe homeostasis in Drosophila [ J ] . Cell,

2013,153(4):797-811.

[ 5 ]   LEE K A,LEE W J.Drosophila as a model forintestinal dysbiosis and chronic inflammatory diseases [ J] .Developmental& Comparative Immunology,2014,42

(1):102-110.

[ 6 ]   ALAM A,LEONI G,WENTWORTH C C,et al.Redoxsignaling regulates commensal?mediated mucosalhomeostasis andrestitution and requires formyl peptidereceptor 1 [ J ] . Mucosal Immunology,2014, 7 ( 3 ):

645-655.

[ 7 ]   LEONI G,ALAM A,NEUMANN P A,et al.AnnexinA1,formyl peptide receptor, and NOX1 orchestrateepithelial repair[ J] . TheJournal of Clinical Investigation,2013,123(1):443-454.

[ 8 ]   JONES R M,LUO L,ARDITA C S,et al.Symbioticlactobacilli stimulate gut epithelial proliferation viaNox?mediated generation of reactive oxygen species

[ J] .The EMBOJournal,2013,32(23):3017-3028.

[ 9 ]   YAN F,CAO H,COVER T L,et al. Solubleproteinsproduced by probiotic bacteria regulate intestinal epithelial cellsurvival and growth[ J] . Gastroenterology,

2007,132(2):562-575.

TOMITA T,SADAKATA H,TAMURA M,et al.Indomethacin?induced generation of reactiveoxygenspecies leads to epithelial cell injury before the formation ofintestinal lesions in mice[ J] .Journal of Physiology andPharmacology,2014,65(3):435-440.

PERRONE S, TATARANNO M L,SANTACROCEA,et al.The role of oxidative stress on necrotizing enterocolitis invery low birth weight infants[ J] .Current

PediatricReviews,2014,10(3):202-207.

PERRONE S,TATARANNO M L,STAZZONIG,etal. Oxidative injury in neonatal erythrocytes [ J] . The

Journal of Maternal?Fetal & Neonatal Medicine,2012,

25( Suppl.5):104-108.

BRUNO?BáRCENA J M, ANDRUS J M, LIBBY SL, et al. Expressionof a heterologous manganese superoxide dismutase gene in intestinallactobacilli provides protection against hydrogen peroxide toxicity[ J] .Applied and Environmental Microbiology,2004,

70(8):4702-4710.

ROCHAT T,GRATADOUX J J,GRUSS A,etal.Production of a heterologous nonheme catalase by Lactobacillus casei: anefficient tool for removal of H2O2and protection of Lactobacillus bulgaricusfrom oxidative stress in milk[ J] .Applied and EnvironmentalMicrobiology,2006,72(8):5143-5149.

SERRANO L M, MOLENAAR D, WELS M, etal.Thioredoxin reductase is a key factor in the oxidativestress response ofLactobacillus plantarum WCFS1

[ J] .Microbial CellFactories,2007,6(1):29.

TALWALKAR A, KAILASAPATHY K, HOURIGANJ,et al.An improved method for the determinationof NADH oxidase in the presenceof NADH peroxidase in lactic acid bacteria[ J] .Journal of MicrobiologicalMethods,2003,52(3):333-339.

KULLISAAR T,ZILMER M,MIKELSAAR M,etal.Two antioxidative lactobacilli strains as promising probiotics[ J] .International Journal of Food Microbiology,2002,72(3):215-224.

韓偉,劉文群,黃麗嬋,等.5 株微生物抗氧化作用的初步研究[ J] .食品與機械,2008,24(5):45-47,51.

白明,孟祥晨.益生菌抗氧化活性及菌體抗氧化相關成分的分析[ J] .食品與發(fā)酵工業(yè),2009,35( 5):6-

11.

劉鋒,張娟娟,張海,等.凝結芽孢桿菌 TBC169 株對亞急性衰老模型小鼠的抗衰老作用[ J] . 中國老年學雜志,2009,29(4):433-436.

王躍,張宏娟,劉明方,等.雙歧桿菌脂磷壁酸抗氧化作用的實驗研究[ J] . 中國老年學雜志, 2007, 27

(13):1254-1257.

陳施羽.小白鼠腸道菌群中乳酸菌的篩選及其抗衰老作用初探[ D] . 碩士學位論文. 成都:四川師范大學,2007:1-66.

王挺,李弋. 雙歧桿菌對D-半乳糖致衰老小鼠的抗衰老作用[ J] . 中國老年學雜志,2007,27 ( 1):45 -

48.

AKYOL S,MAS M R,COMERT B,et al. Theeffectof antibiotic and probiotic combination therapy on secondary pancreaticinfections and oxidative stress pa?

12 期王進波等:益生菌與動物腸道自由基的關系 3549rameters in experimental acute necrotizingpancreatitis Drosophila [ J ] . Developmental Cell, 2005, 8 ( 1 ):

         [ J] .Pancreas,2003,26(4):363-367.       125-132.

曩瀟瀟,何瑤,王曉煒,等. 富硒沼澤紅假單胞菌對 [30]   LIN PW,MYERS L E S,RAY L,et al.LactobacillusD-半乳糖致衰老小鼠抗氧化系統(tǒng)的影響[ J] . 安徽 rhamnosus blocks inflammatory signaling in vivo via

         農業(yè)科學,2007,35(16):4850-4852.       reactive oxygen     species        generation [ J ] . Free      Radical

龔靈芝,陳小連,徐建雄.微生物源性抗氧化劑對高     Biology andMedicine,2009,47(8):1205-1211.

         不飽和脂肪酸飼料致大鼠自由基損傷模型的影響 [31]     JONES R M,MERCANTE J W,NEISH A S.Reactive

         [ J] .飼料工業(yè),2008,29(20):32-34.oxygen       production   induced      by      the    gut    microbiota:

聞平,黃錫全,汪毅,等. L. SP. HXQ001 菌對家免抗 pharmacotherapeutic implications[ J] . Current Medici氧化能力的影響[ J] . 中國微生態(tài)學雜志,2002,14 nal Chemistry,2012,19(10):1519-1529.

         (2):76.[32]   NEISH AS.Redox signaling mediated by the gut mi?

HA E M,OH C T,BAE Y S,et al. A directrole for crobiota[ J] . Free Radical Research, 2013, 47 ( 11):dual oxidase inDrosophila gut immunity[ J] .Science, 950-957.