动物硒蛋白功能、表达及其肉质调控机制研究进展

郭 嘉，门小明，邓 波，徐子伟，*

(1.浙江师范大学 化学与生命科学学院，浙江 金华 321001； 2.浙江省农业科学院 畜牧兽医研究所，浙江 杭州 310021)

硒(Se)作为动物体内一种必需的微量元素，主要以硒蛋白的形式发挥抗氧化和免疫代谢调节等作用。我国是全世界40多个缺硒国家之一。贫硒地区的食物无法满足动物日常的硒需求。在缺硒情况下，动物机体容易发生营养性肌肉萎缩、渗出性素质、营养性肝坏死、受精率下降、死胎或产仔虚弱等[1]。向饲粮中添加硒制剂是消除缺硒影响、提高动物生产性能的有效措施，也是生产富硒产品、满足人类硒需求的主要方式之一。目前，用于动物饲粮添加的含硒制剂主要有2类：一类是无机形式的亚硒酸钠(Na2SeO3)，另一类是以酵母硒和硒代蛋氨酸为代表的有机硒制剂。相较于亚硒酸钠，有机硒具有更低的体内毒性和更高的生物利用度，逐渐成为饲粮硒源添加剂研发的主要方向。

研究发现，动物体内的Se元素主要以共价方式与氨基酸结合存在。自从发现Se是谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)的活性中心以来，已经至少有24种硒蛋白在哺乳动物中被相继成功鉴定[2]。它们广泛表达分布于机体不同组织，承担着体内Se元素转运、沉积和抗氧化等多种生物学功能。本文对动物体内Se元素的存在形式、硒蛋白的种类与功能、硒蛋白的表达与调控等研究进展进行介绍，并着重分析硒蛋白在畜禽肉质调控中的作用机制。

1 动物机体Se元素的吸收代谢与存在形式

1.1 Se元素的吸收与代谢过程

Se元素主要在动物的小肠上皮被吸收，其中，无机Se(如亚硒酸钠)的吸收率在50%以上，有机Se(如硒代蛋氨酸SeMet)的吸收率在90%以上[3]。Mihara等[4]总结了动物体内Se元素的代谢途径：无机硒进入体内后，在硫氧还蛋白还原酶与谷胱甘肽的作用下直接生成硒化物；有机硒转化为硒代半胱氨酸(SeCys，Sec)或甲基硒再生成硒化物，Sec通过硒代半胱氨酸裂解酶(selenocysteine lyase，SCLY)降解为硒化物和丙氨酸。硒化物在动物体内通常以蛋白结合形式存在，在硒磷酸合成酶作用下生成硒磷酸，进入硒蛋白表达合成环节。体内过多的Se元素先经过硒化物形式，最终以二甲基硒化物或三甲基硒化物的形式排出体外[5]。

1.2 动物体内Se元素的存在形式与结构

真核生物细胞内，Se元素主要以取代氨基酸中硫元素位置的形式存在，具体包括由编码基因指导合成的Sec和以非特异性方式替代蛋氨酸(Met)的SeMet，以及少量以非特异性方式替代半胱氨酸(Cys)的Sec。此外，还有一些如硒醇基、二硒醚、硒硫化物、混合硒肽、硒醚、硒亚砜等含Se的代谢产物[6]。Se取代半胱氨酸中硫的位置形成Sec结构，降低了解离常数(pKa)，从而赋予Sec较高的亲核性[7]；Sec还具有更低的还原电位，进一步增强了分子反应活性[8]，由此构成硒蛋白分子的催化活性中心。

Sec残基以2种位置存在于蛋白质分子中：一类位于肽链N-端或蛋白质中间区域内，另一类位于肽链C-端区域。前者主要包括硒蛋白K、S、O、I，以及甲硫氨酸亚砜还原酶B(MSRB1)和硫氧还蛋白还原酶1(TXNRD1)；后者主要存在于硒蛋白H、M、T、V、W、F，及硒磷酸合成酶2(SEPHS2)等[9]。硒蛋白Sec残基多以活性催化中心存在，非催化功能非常少见，仅有硒蛋白P(SELENOP)的C端区域具有多个Sec结构，主要用来完成Se元素转运，这也是目前发现的唯一含有多个Sec残基的蛋白分子。

2 动物硒蛋白的种类、表达分布与功能

2.1 动物硒蛋白的种类与表达分布

目前认为，动物硒蛋白特指由编码基因指导插入Sec残基的具有生物活性的蛋白分子，以区别于体内以硒代蛋氨酸等形式存在的其他含硒蛋白。在哺乳动物中被成功鉴定的硒蛋白至少有24种，包括谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)家族蛋白、硫氧还蛋白还原酶(TXNRD1～3)、脱碘酶(DIO1～3)等。

大多数硒蛋白都具有氧化还原活性，并广泛分布于不同组织器官发挥多种功能[10-22](表1)。以GPX家族蛋白为例，通过还原型谷胱甘肽(GSH)作为硫醇供体还原过氧化氢(H2O2)等氢过氧化物，从而调节细胞内的氧化环境。其中，胞质谷胱甘肽过氧化物酶(GPX1)通过减少H2O2发挥调控细胞氧化环境的作用；肠胃谷胱甘肽过氧化物酶(GPX2)通过调节胃肠道细胞氧化还原状态、抑制炎症反应，从而保护肠道健康[10]；血浆谷胱甘肽过氧化物酶(GPX3)通过减少血浆过氧化物来调节血小板聚集，抑制血栓形成[11]。TXNRD1～3分别在细胞质/细胞核、线粒体、睾丸中表达，能够确保所在组织/器官正常发挥生理功能[12]；DIO1～3主要在生物膜和细胞核表达，通过还原脱碘作用使甲状腺激素激活或失活，参与甲状腺激素代谢调节[12]。硒蛋白F、K、M、N、S、T等不同程度地参与内质网氧化还原调节、蛋白质折叠和细胞钙稳态[13]；硒蛋白H、V、W、O分别在细胞核、生殖细胞、骨骼肌、线粒体中发挥抗氧化作用[14-15]。此外，硒蛋白I还参与生物膜磷脂合成[16]。氢过氧化物等活性氧可参与调节细胞信号级联反应[17]，部分硒蛋白可通过清除活性氧起到反向调节信号通路的作用，如GPX1和GPX4过表达可阻断NF-κB活化[18]。有些硒蛋白参与自身蛋白质合成过程，如硒磷酸合成酶2(SEPHS2)可以催化硒化物合成硒磷酸盐[19]，硒蛋白P负责将硒从肝脏转运至其他部位，同时也具有抗氧化活性[20]。

表1 动物体内主要硒蛋白的功能分类与表达分布[12-13，21-22]

续表1 Continued Table 1

2.2 动物硒蛋白的抗氧化活性

氧化应激是指体内活性氧自由基(ROS)等高活性分子产生过多，超出自身过氧化物清除能力，导致机体氧化和抗氧化系统失衡。超量ROS可攻击脂质、糖类、蛋白质、脱氧核糖核酸(DNA)等生命大分子物质，引起变性、交联、断裂等氧化损伤，进而破坏细胞结构和功能，甚至导致机体组织损伤和器官病变[23]。在生产中，断奶、转群、免疫、高热环境、屠宰运输等都会刺激动物体内ROS的过量产生，从而造成组织损伤、生长抑制和疾病发生。

硒蛋白通过3个层次发挥细胞抗氧化和缓解内质网应激的作用[24]：(1)GPX1、GPX4和TXNRD1等硒蛋白可以直接清除过氧化物；(2)GPX4和TXNRD2等硒蛋白通过修复线粒体功能降低氧化应激损伤；(3)硒蛋白F、硒蛋白S和硒蛋白K等硒蛋白通过修复错误折叠蛋白引起的内质网应激缓解氧化应激。

通过补充Se元素激活硒蛋白表达合成，可以缓解或降低由疾病、应激和先天遗传等诱发的氧化损伤。这一方面说明，补硒对动物机体健康与生长具有重要意义；另一方面提示，硒源添加剂的体内活性评价需要考虑更多的综合因素，试验动物的遗传类型、健康状态和应激水平等都可能会对结果产生影响。

3 动物硒蛋白的表达过程与影响因素

3.1 动物硒蛋白的表达合成过程

真核生物的硒蛋白合成并不是简单的DNA转录和蛋白质翻译，而是将由终止密码子UGA重编码合成的Sec(第21种氨基酸)掺入到蛋白质合成的过程。最初人们认为，无义介导mRNA降解机制(nonsense-mediated mRNA decay， NMD)控制不同硒水平下硒蛋白的表达，即缺硒条件下将UGA密码子翻译为终止密码，形成有毒短肽被降解[25]。后来研究发现，硒蛋白表达通过Sec掺入机制进行调控，由位于编码基因3’非编码区(untranslated region，UTR)的顺式作用因子[Sec插入序列(selenocysteine insertion sequence,SECIS)元件]和反式作用因子[Sec特异性tRNA、SECIS结合蛋白2(SECIS binding protein 2,SBP2)、Sec特异性延伸因子、核糖体蛋白L30、核仁蛋白等]共同作用完成[26]。SECIS元件通过“茎-环-茎-环”结构与SBP2结合，在真核起始因子4a3(eIF4a3)和Sec特异性延伸因子(eEFSec)等参与下将Sec特异性tRNA(Sec-tRNA[Ser]Sec)引入延伸到核糖体，识别UGA密码子形成Sec重定义元件(Sec redefinition element，SRE)，最终翻译合成Sec(图1)[27]。其中，Sec-tRNA[Ser]Sec由丝氨酸和tRNA[Ser]Sec发起，经Ser-tRNA合成酶(SerS)、磷酸丝氨酰基-tRNA[Ser]Sec激酶(PSTK)、硒磷酸合成酶2(SPS2)和磷酰基tRNASec硒转移酶(SEPSECS)作用形成[28]。不同性质SECIS的UGA重编码效率存在巨大差异[29]，SBP2能够决定Sec插入效率[30]，核仁蛋白对UGA的重编码效率具有正向调节作用[31]，eIF4a3通过抑制SBP2与SECIS结合起到负向调节作用[32]。哺乳动物不同亚型Sec-tRNA[Ser]Sec的比例受摄入硒水平的影响[33]。这些Sec掺入装置组分共同决定着Sec的掺入效率，已用于解释不同硒水平对硒蛋白表达的调控作用[34]。

Ser，丝氨酸；SerS，Ser-tRNA合成酶；PSTK，磷酸丝氨酰基-tRNA[Ser]Sec激酶；SPS2，硒磷酸合成酶2；SEPSECS，磷酰基tRNASec硒转移酶；PSer-tRNA[Ser]Sec，磷酸丝氨酰-tRNA[Ser]Sec；SRE，Sec重定义元件；SECIS，Sec插入序列；SBP2，SECIS结合蛋白2；eIF4a3，真核起始因子4a3；eEFSec，Sec特异性延伸因子。

3.2 影响动物硒蛋白表达的因素

影响硒蛋白表达的因素众多，其中，机体硒水平是影响动物硒蛋白表达的重要因素。机体硒水平变化优先影响GPX1、MSRB1和硒蛋白W等应激相关硒蛋白表达，而GPX4、TXNRD1等持家型硒蛋白的表达水平常保持稳定[33]。机体摄入硒源的形式是影响动物硒蛋白表达的另一重要因素。有研究认为，有机硒能够以非特异性替代含硫氨基酸的方式被吸收并潴留在组织器官内,通过增加Se沉积从而提高Sec掺入蛋白的效率，增强GPX1、硒蛋白P等硒蛋白活性/表达[35-36]。也有研究发现，无机硒可以更直接地提高硒蛋白的合成速率[37]，且其提高硒蛋白活性/表达的效果要优于有机硒[37-38]。这可能是因为，无机硒进入机体后主要转化为硒化物，而硒化物是硒蛋白合成的直接来源。由此可见，不同硒源对硒蛋白表达的调控机制仍需进一步试验探究。此外，氧化应激损伤也会激活、上调部分抗氧化硒蛋白的表达水平[39]，且不同部位硒蛋白对应激反应的敏感性存在差异[40]。同时，硒蛋白之间，以及硒蛋白与非硒蛋白酶间存在互作机制，如肌肉中SELENOW基因沉默会增加抗氧化硒蛋白酶GPX的活力[41]，补硒可促进硒酶表达，并协同提高组织超氧化物歧化酶(SOD)活性[42]。综上所述，机体Se水平、硒源形式、氧化应激损伤，甚至相关蛋白的表达均可影响硒蛋白表达，从而构成复杂的信号调控网络。人类SelenoDB 2.0数据库公布了19种硒蛋白候选基因蛋白，包括巨蛋白(megalin)、载脂蛋白E受体2(ApoER2)、SCLY、硒结合蛋白1(SBP1)、PSTK、SEPSECS、丝氨酰-tRNA合成酶(SARS2)和Elav样家族蛋白1(CELF1)等，分别涉及Se元素运输与代谢、Sec生物合成与整合等多个方面[43]。未来，关于硒蛋白候选基因蛋白功能学的深入研究将有助于明确硒蛋白分布调控机制，为阐明硒蛋白分布层次和表达等级提供线索。

4 硒蛋白在畜禽肉质调控中的作用

4.1 硒蛋白对活体肌肉生理功能的影响

硒蛋白的正常表达对于维持肌肉生长和收缩功能来说是必需的。有研究表明，缺硒或补硒引起的肌肉19个差异表达基因中，有12个是硒蛋白基因[44]。缺硒可引起鸡肉硒蛋白表达下调，进而诱发氧化应激损伤，这也被认为是诱发营养性肌肉萎缩症(又称白肌病)的主要原因[45]。硒蛋白N的编码基因突变与人类一种肌纤维类型先天性不均衡疾病有关，特征为肌内膜的细胞外基质增加、I型肌纤维数量和大小改变、肌细胞内出现小核病灶等[46]。硒蛋白N缺乏能使肌细胞氧化还原平衡遭到破坏、基础氧化活性增强、收缩功能蛋白被氧化、钙离子通道受阻，进而导致细胞应激、氧化还原、钙离子稳态和细胞生存等信号通路基因表达发生改变[47]。

4.2 硒蛋白通过抗氧化途径直接影响宰后肉质

过氧化是导致畜禽宰后肌肉水分流失、肉质风味降低的重要原因[48]。硒蛋白的抗氧化功能主要通过以下途径改善肉品的系水力指标：(1)减少脂质氧化，提升细胞膜稳定性[49]；(2)防止钙蛋白酶失活，避免或降低尸僵水分渗出通道形成[50]；(3)降低宰后早期肌肉细胞凋亡和裂解程度[51]，使更多水分和蛋白质保留在细胞结构内。另外，硒蛋白还可以通过抗氧化作用保护肌肉脂解酶活性，促进宰后肌肉脂类风味物质形成[52]，这也是改善肉品风味性状的潜在途径。

仅就硒蛋白抗氧化性能而言，GPX1是目前公认的补硒效应蛋白。但Li等[53]发现，猪肉滴水损失与过氧化产物硫代巴比妥酸(TBARS)的相关性比与GPX1活性的相关性更高，而且肝脏GPX1活性增加并未导致TBARS水平下降，说明还存在其他硒依赖性抗氧化物质。对肌肉中12种硒蛋白mRNA水平的定量分析发现，硒蛋白W的mRNA水平与TBARS水平具有更高的相关性。硒蛋白W是一种高度保守的小分子(约10 ku)硒蛋白，具有横纹肌组织亲嗜性，相较于GPX1和硒蛋白P，其对缺硒更敏感[54]。硒蛋白W的Cys-37残基是GSH结合位点，同样具有调节细胞抗氧化的能力[55]。GPX4是GPX家族中唯一可以直接还原脂质氢过氧化物的活性酶，被认为是生物膜抵御氧化破坏的主要酶系。研究发现，莱芜猪背最长肌GPX4含量高于鲁莱黑猪和长白猪。GPX4通过抑制脂质过氧化来维持细胞膜完整性，这是造成莱芜猪肉具有高抗氧化能力与系水力的主要因素[56]。目前，GPX4的表达调控机制仍不明确。缺硒条件下，肉鸡肌肉中GPX4活性仍能保持稳定[57]；但敲除GPX4基因的小鼠表现出胚胎致死[58]；郑良焰等[59]以0.1 mg·kg-1Se的剂量饲喂小鼠，其肝脏中GPX4的mRNA相对表达量显著高于0.045、0.40 mg·kg-1剂量组；未做补硒处理的莱芜猪肌肉内GPX4含量高于长白猪与鲁莱黑猪[56]。以上研究表明，GPX4的完整表达是维持机体存活的必要条件，但其表达丰度可能受自身编码基因、调控因子、硒元素吸收代谢等多种因素影响，还可能存在不同硒蛋白之间协同互作等因素的影响。尽管硒可改善畜禽肉品质，但相关效应硒蛋白及其作用机制仍未明确。今后，可进一步开展肉质相关硒蛋白和硒蛋白质组的研究，以帮助解释硒已知的肉质调控效应，并探索发现新的依赖于硒的肉质抗氧化调控途径，以便针对不同畜禽物种，根据其肉品特点提供适用的补硒方案。

4.3 硒蛋白通过调控糖脂代谢影响肉质

硒蛋白主要通过类胰岛素样作用调控体内糖脂代谢过程。研究表明，补硒可促进大鼠肌肉组织葡萄糖摄入量并增加脂肪沉积，但在高硒浓度下胰岛素分泌过多又可以导致胰岛素抵抗与脂肪分解[60]。进一步研究发现，适当提高GPX1表达/活性可促进β细胞胰岛素合成分泌，但过量表达会导致胰岛素抵抗，增加糖脂代谢紊乱风险[61]。肝脏硒蛋白P表达分泌、血清硒蛋白P浓度也与机体糖脂代谢密切关联[20]。

动物试验表明，补硒可以增加猪空腹血浆胰岛素含量[62]，维持鸡肝糖原稳定，降低肌糖原积累，从而改善胸肌与腓肠肌pH和持水力[63]。在小鼠上的研究发现，补硒初期可以提高脂肪细胞分化和组织沉积水平，后期则可激活PKA/HSL信号通路，导致脂解作用增强[61]。补硒后的猪肉也出现了脂解增加的现象[52]。这说明，若想通过硒蛋白途径调控机体代谢走向，还必须考虑细胞敏感性、生理适应性和发育阶段等因素，并进一步探究具体的分子机制[61]。糖脂代谢与胴体成分沉积、肌肉生长代谢、脂肪细胞发育等密切相关，通过硒蛋白途径调控机体代谢走向或许可以达到调控肌肉脂肪沉积、改善风味、提升屠宰率、提高肉品酸碱度和延长货架期等目的。因此，糖脂代谢相关硒蛋白对机体糖脂沉积、肉质影响的调控作用，在不久的将来有望成为研究重点。

5 展望

硒蛋白作为Se元素在动物体内的主要功能形式，在抗氧化、提高免疫力、维护肠道健康、激素调节等方面发挥作用。然而硒蛋白的体内表达调控非常复杂，不同动物种类、品种、个体、组织器官层面上都可能存在差异。目前，硒蛋白编码基因及其调控因子已经基本明确，但关于硒蛋白的表达调控机制还在不断探索，不同硒源的优先利用级别尚不明确。针对不同动物或目标性状，筛选可以反映不同硒源体内生物活性的硒蛋白标志物，探讨硒蛋白在畜禽肉质形成中的作用，可为硒源添加剂的开发和畜禽肉质调控提供科学依据。