植物神经酸研究进展

范一铭，高桂珍，薛羽君，伍晓明*

1.中国农业科学院油料作物研究所，农业农村部油料作物生物学与遗传育种重点开放实验室，武汉430062；

2.嘉应学院生命科学学院，广东 梅州514000

油脂是人体不可缺少的四大营养素之一，除提供能量外，部分油脂或脂肪酸，特别是一些人体自身不能合成的脂肪酸，对维护人体正常生理功能具有重要的保健和药用功能。脂肪酸通常以三酰甘油的形式储存在人体内，或者与甘油反应合成磷脂［1］。神经酸（nervonic acid，NA，C24：1Δ15）最早发现于哺乳动物的脑组织中，属于脂肪酸中的超长链单不饱和脂肪酸，对人体脑组织具有特异的保护和修复功能，能预防和改善多种脑疾病，对癌症、心血管疾病、皮肤病等有一定的治疗功效［2］。人体缺少神经酸会导致很多疾病，而人体的神经酸主要从食物中获取。神经酸的生理功能、来源、合成途径等研究对促进神经酸在工业和医疗方面的发展具有重要意义。

1 神经酸的发现与分子结构

神经酸是脂肪酸的一种。1925年，Klenk［3］在哺乳动物的神经组织中提取出分子式为C24H46O2的长链单不饱和脂肪酸，命名神经酸。日本学者Tsujimoto［4］在1926年从鲨鱼中提取出神经酸，并确定神经酸结构为顺式结构，故神经酸又称为鲨鱼酸（selacholeic acid），化学名为顺-15-二十四碳单烯酸，相对分子质量为366.6，是ω-9的超长链单不饱和脂肪酸（very long chain monunsatuated fatty acid，VLCMFA），纯品在常温下为白色片状晶体，溶于有机溶剂但不溶于水［5］。

图1 神经酸化学结构[2]Fig.1 Chemical structure of neuronic acid[2]

2 神经酸的生理功能

神经酸功能的发掘和验证是世界各国科学家和学者不断探索和研究的重要内容。英国权威神经学教授Sinclar和Crawford长期以来进行鲨鱼研究工作，发现鲨鱼具有自动恢复脑组织的能力。当鲨鱼的脑部受到重创以致脑组织受损后，鲨鱼能利用体内的神经酸对脑组织中的神经信息传递通道（神经纤维）进行修复［5］。经过长期研究证实，神经酸的生理功能主要有以下几个方面。

2.1 神经酸对脑组织和中枢神经具有保护、修补和促进发育的生理功能

神经酸存在于大脑白质中，是大脑白质神经组织的重要组成部分。人体大脑的衰老往往是从白质开始。Babin等［6］发现让孕妇饮用富含神经酸的牛奶，可以很好地促进胎儿大脑的发育；同时，早产儿的红细胞鞘磷脂中的神经酸水平可以反应其大脑发育的成熟度。Cook等［7］对母体小鼠饲喂富含芥酸和神经酸的缎花属种子油，神经酸通过母体小鼠影响幼鼠大脑，改变其脑鞘磷脂的组成。潘建国等［8］利用气相色谱/质谱联用技术和超临界CO2流体萃取（supercritical-CO2fluid extraction，SFE-CO2）技术首次在花粉中检测出神经酸，并认为花粉可以作为天然保健食品，健脑益智。

神经酸已成为世界公认的修复受损神经纤维、帮助神经细胞再生的双效天然核心成分［2］。神经酸能够改善因脑疾病产生的认知障碍，延缓神经组织衰老，预防神经类病症，是具有特殊性能的珍贵脂肪酸。袁华等［9］将大鼠分为4组，分别灌喂 对 照 溶剂、1-溴丙烷（800 mg·kg-1）、神经酸（150 mg·kg-1）+1-溴丙烷（800 ng·kg-1）、二十二碳六烯酸（500 mg·kg-1）+1-溴丙烷（800 mg·kg-1）7 d后，再进行5 d Morris水迷宫试验。实验结束后测定大鼠大脑皮层中还原型谷胱甘肽和丙二醛含量以及谷胱甘肽还原酶和γ-谷氨酰半胱氨酸连接酶活力。结果发现，1-溴丙烷会导致大鼠行为认知能力减弱，而二十二碳六烯酸和神经酸可以减轻这种损伤。临床研究发现，神经酸联合盐酸多奈哌齐片可以减缓脑白质疏松症伴随的认知障碍［10］。郑辉等［11］将小鼠分为多组，除空白对照组外，均建立帕金森病模型。末次给药（含神经酸）后，观察小鼠行为变化，测定小鼠脑纹状体内多巴胺、二羟苯乙酸和高香草酸的含量。经结果分析得出，神经酸可使帕金森模型小鼠的运动能力提高，其机制可能与脑纹状体内多巴胺的增加有关。动物实验发现，神经酸具有改善帕金森病小鼠模型中运动障碍的作用，且没有不良反应［12］。临床研究发现，老年人认知受损风险与血清中神经酸的含量成负相关，与二十碳烯酸的含量成正相关［13］。Liu等［14］研究表明，小鼠自身免疫性脑脊髓炎的发展和严重程度可以通过神经酸治疗得到有效缓解，抗氧化蛋白和抗炎细胞因子的表达进一步被激发。方依卡等［15］和陈威［16］分别研究发现，神经酸联合盐酸氟桂利嗪胶囊治疗可以安全可靠地改善患者脑白质疏松所致的认知功能和急性脑梗死恢复期的神经功能。此外，神经酸有治疗多发性硬化症、肾上腺脑白质退化症等与髓鞘相关病症的功能［17］，对Zellweger综合征也有一定的预防和治疗作用［18］。

人体不能合成神经酸，必须从食物中摄取补充。一旦人体缺少神经酸，将会导致多种脑部疾病。在人母乳中神经酸占总脂肪酸的0.1%左右，含量甚微［19］。韩锋等［20］用添加神经酸的配方奶粉进行动物实验和人体试验。对动物进行跳台、避暗和水迷宫试验，对人体进行心智、图片、再认、再生、联想、触觉、理解等内容测试，并计算IQ值。测试结果证明神经酸可以改善记忆能力，提高智力水平，减缓衰老，可考虑在婴幼儿配方奶粉中添加适量的神经酸成分。

2.2 神经酸具有调节血糖血脂、提高免疫力的生理功能

人体血糖血脂的水平直接影响着身体健康状态，血糖血脂偏高或偏低都有可能导致人体病态，并且与心血管疾病、糖尿病等多种疾病有关。免疫力是人体重要的保护屏障。一旦免疫力下降，人体就会受到病毒和细菌等的侵害。研究发现，神经酸可以帮助人体平衡血糖血脂的水平，促进免疫力提高。Nobuyuki等［21］发现神经酸可以作为非竞争性抑制剂，抑制人类免疫缺陷病毒Ⅰ型逆转录酶（HIV-1RT）。Eiji等［22］对42位检测对象检测身高、体重、血压、空腹血清总胆固醇（total cholesterol，TC）、三酰甘油（triacylglycerol，TG）、高密度脂蛋白胆固醇（high density lipoprotein cholesterol，HDLc）、空腹血糖（fasting blood-glucose，FBS）、总脂肪酸构成、瘦素和高敏C反应蛋白（C-reactive protein，CRP），并通过多元回归分析法分析血清中各种不饱和脂肪酸与这些指标的相关性。结果发现，神经酸可以预防与肥胖有关的代谢失调疾病，降低冠状动脉风险。王熙才等［23］利用富含神经酸的胶囊投喂小鼠，测定小鼠的抗体生成细胞数、血清溶血素水平和NK细胞活性，发现各项指标均提高，且小鼠免疫力有所增强。蔡晓琴等［24］经调查研究发现，高浓度的血浆神经酸可以降低急性缺血性脑卒中的发病风险。Keppley等［25］采取饮食诱导法构建肥胖小鼠模型进行神经酸功能验证实验，发现神经酸具有限制小鼠体质量增长的功效。Umemoto等［26］发现神经酸对6-羟基多巴胺诱导的PC-12细胞氧化应激具有保护作用。

2.3 神经酸的护肤作用

油脂在化妆品及护肤品中扮演着重要角色，油脂可以使皮肤滋润有光泽。角质层是皮肤重要的保护屏障，保持水分不流失，抵御外界不良环境。随着神经酸在皮肤医学方面的深入研究，发现神经酸对皮肤护理和皮肤病防治起着重要的作用［2］。同时，神经酸还具有抑制黑色素生成、美白皮肤的作用［27］。

3 神经酸的来源

3.1 人工合成

除了从生物获取神经酸以外，研究人员还通过化学人工合成的方法合成神经酸。1954年，Bounds等［28］利用油酸和辛二酸酯在一定条件下合成了神经酸。雷泽等［29］以顺-13-二十二碳烯酸甲酯为原料，经过一系列途径，最后制得95%以上顺式结构的神经酸。因此，利用人工化学合成手段合成神经酸，生产成本偏高，合成工艺路线较长且效率较低［2］，同时副产物较多，比如反-15-二十四碳单烯酸，工艺有待进一步优化。

3.2 生物来源

最早，鲨鱼是神经酸的主要来源［4］。但是，为了保护鲨鱼，维持生态友好，国际上禁止捕杀鲨鱼，使神经酸的来源受到极大限制。随着油脂化学的发展，科学家发现植物果实和种子中存在神经酸。由动物来源到植物来源的转变极大地促进了神经酸的研究发展，植物来源成为获得神经酸的一条重要渠道。

目前，已发现植物中有11个科16个属的30多个物种中含有神经酸，涉及了木本和草本植物，且十字花科居多（包括13个物种）［30］。神经酸含量位列前茅的蒜头果和盾叶木属于木本植物，其他已发现的含神经酸的草本植物都属于十字花科。部分含神经酸植物及其概况见表1。在木本植物中，蒜头果和盾叶木的含油量高，神经酸含量也高，但两者生长期长，资源受限，并不适合作为神经酸的潜在资源。文冠果中含油量虽然高但神经酸含量较低。在草本植物中，缎花属植物神经酸含量较高，且有较高的含油量，然而其产量低，限制了将缎花属植物作为神经酸资源的发展。碎米荠中神经酸含量虽然高，但含油量却偏低。

除了部分动植物中含有神经酸，一些真菌也能合成神经酸和其他长链单不饱和酸［41］，比如：病原丝状真菌M.phaseolina、Francisella tularensis菌株、丝状真菌RD000969。

与其他来源相比，神经酸植物来源更具优点。含神经酸的植物种类多，易获得且获取成本低，可以实现神经酸的可持续发展。目前，含神经酸植物规模生产的目标还未实现。蒜头果、盾叶木和元宝枫三种植物中神经酸含量虽然高，但是它们属于木本植物，生长条件特殊，分布比较零散，繁殖条件有限，生长周期长，还达不到规模生产［42］。油菜是我国主要的油料作物，含油量高，富含不饱和脂肪酸［43］，喜寒耐阴，适应性强，我国从北到南、从东到西都有油菜种植。目前，我国主要的3个油菜主栽类型有甘蓝型油菜（Brassica napus）、白菜型油菜（Brassica rapa）和芥菜型油菜（Brassica juncea）。这3种油菜中都含有神经酸［42］，而且生长周期短，易繁殖，生产成本较低，可机械收割［44］，具有规模生产神经酸的潜力。通过筛选高神经酸材料、种质创新、杂交培育等方法，油菜有望会成为神经酸的重要来源。

4 植物神经酸研究进展

4.1 植物中神经酸的生物合成途径

脂肪酸从头合成的终产物是软脂酸（C16∶0）（图2），故神经酸的合成需要依靠与膜结合的脂肪酸延伸酶［45］。在植物内质网上存在着催化超长链脂肪酸（含二十个或二十个以上碳原子的脂肪酸）合成的脂肪酸延伸酶复合体，包括3-酮酯酰-CoA合酶（3-ketoacyl-CoA synthase，KCS）、3-酮酯酰-CoA还原酶（3-ketoacyl-CoA reductase，KCR）、3-羟酯酰-CoA脱水酶（3-hydroxyacyl-CoA dehydrase，HCD）、羟酯酰-CoA还原酶（enoyl-CoA reductase，ECR），分别催化缩合、还原、脱水、还原四步反应［46］（图2）。KCR、HCD和ECR是所有脂肪酸延长酶中共有的，它们没有表现出选择特有的底物来进行反应［47-48］，与神经酸合成含量无密切关系。而KCS是超长链脂肪酸延伸的限速酶［49］，每一个缩合酶催化2或3个延伸反应，且表现出一定的底物特异性，这种特性是决定VLCMFA碳链长度的关键因素［50］。

图2 植物中神经酸的生物合成与积累Fig.2 Biosynthesis and accumulation of nervonic acid in plants

调控合成KCS的是KCS基因家族，主要存在于植物中。KCS基因家族的多样性使得物种间神经酸及其他脂肪酸的含量各不相同。拟南芥（Arabidopsis thaliana）中 含有21个KCS基 因成员［51］，甘蓝型油菜中推测含有46个以上的KCS家族成员［52］。KCS基因家族中研究较多的是FAE1基因。FAEI最早是在拟南芥中发现的，调控二十碳烯酸生成芥酸，是芥酸合成的关键基因［53-54］。目前的研究中并未发掘出专一调控神经酸含量的调控基因及因子。

神经酸合成后以三酰甘油（TAGs）的形式储存起来（图2）。待需要能量时，生物体分解三酰甘油产生大量能量，或者神经酸形成磷脂（phospholipid，PLs）起结构性作用［1］。

4.2 植物中神经酸的提取工艺

2017年5月31 日，神经酸被国家卫生和计划生育委员会（现国家卫生健康委员会）批准为新食品原料。人体每日推荐摄入量为300 mg·60 kg-1·bw［55］。鉴于人体中难以合成神经酸和化学合成效率低，研究人员将神经酸以神经酸油或纯神经酸的形式作为添加物用于工业产品生产。陶醒世［56］将含神经酸95%的原料与菜籽油、鱼油混合，配制成了一种健康的菜籽油。马新世［57］以含神经酸的元宝枫油和鲜奶为原料，制备成一种富含神经酸的营养鲜奶。刘祥义等［58］以元宝枫叶提取物20%～40%，元宝枫种子提取物（神经酸）15%～25%，调味剂30%～64%，营养强化剂1%～5%的比例，制作元宝枫含片。朱民生等［59］以植物神经酸、金属硫蛋白MT3、薄荷醇、荠蓝籽油、油溶性VB12、阿司匹林、谷维素粉和稻米油为原料，发明了一种脑神经激活修复液。贾时宇等［60］发明了一种富含神经酸和α-亚麻酸的营养保健油，其中神经酸含量为1.0%～3.5%，α-亚麻酸为35%～50%，其余成分为长链脂肪酸。冯开东［61］将神经酸与黄芪、知母提取物混合制成组合物，可改善记忆力。

神经酸植物油的获取方式大多采取传统的压榨法。纯神经酸的提取工艺多样且复杂。当前，在植物中提取神经酸的工艺方法主要有：尿素包合法、结晶法、分子蒸馏法和薄层层析法［5］。徐文晖等［62］从元宝枫籽油中得到的混合脂肪酸甲酯，通过尿素包合法能将神经酸甲酯的质量分数从5.48%提高到17%左右。葛智勤等［63］以乙醇作为结晶溶剂，选择料液比1∶3、结晶温度-40℃、结晶时间4 h来纯化元宝枫籽油混合脂肪酸中的神经酸，神经酸得率为65.48%。呼晓姝［64］比较了低温结晶法和分子蒸馏法从元宝枫籽油混合脂肪酸中纯化神经酸的方法，发现分子蒸馏法的分离效果更好。四级蒸馏后，籽油中神经酸质量收率达36.5%，含量提高了7倍（6.07%→41.62%）。进一步优化后，经三级蒸馏，籽油中神经酸质量收率便可达到66.6%，含量提高了6.5倍（6.07%→39.02%）。王性炎等［65］用硅胶柱对混合神经酸进行吸附，经洗脱液洗脱，神经酸含量从5.5%提高到90%以上。

优化提取工艺可以增加提取效率。周琴芬［66］研究了蒜头果油提取工艺、神经酸甘油酯皂化工艺和神经酸分离纯化工艺。实验结果得出，最佳蒜头果油提取工艺为超声辅助法；最佳神经酸甘油酯皂化工艺参数为：皂化时间4 h，碱料比0.25 g·g-1，液料比1 mL·g-1，皂化温度90℃；最佳神经酸分离纯化工艺参数为：溶剂倍量1∶4，结晶温度4℃，结晶时间6 h。付一笑［67］通过设计正交试验，得出了蒜头果种子中神经酸最优纯化工艺组合［结晶次数2次，萃取料液比1∶100（g：mL），萃取次数1次］。

此外，尹英遂等［68］采用溶液结晶法，从油菜籽油中获得95%以上的神经酸产品并申请了专利。鉴于油菜籽油丰富的营养脂肪酸和油菜广阔的种植面积，深入研究开发并优化从油菜菜籽油中提取神经酸的工艺技术，可以促进菜籽油的创新发展，提高菜籽油的产品品质，对加强我国食用油安全、降低食用油对进口的依赖度有重要作用。

4.3 高神经酸植物的遗传改良

目前，神经酸的主要来源不再是动物，而是更具潜力和优势的植物。含神经酸的植物种类较多，然而既含有较高神经酸又可以达到规模生产的植物种类很少。科学家利用转基因技术将一个物种中控制神经酸合成的基因转移到另一物种中超表达，使后者获得能合成较高神经酸含量的能力，这是神经酸来源研究的重要发展趋势。

诚实花是十字花科的一员，其神经酸含量较高，是十字花科高神经酸植物改良的优异基因供体材料。Guo等［69］成功将诚实花编码KCS的基因在酵母、拟南芥和埃塞俄比亚芥中表达。转基因后，酵母出现了一般酵母不存在的超长链单脂肪酸，证实了KCS编码蛋白的功能；拟南芥神经酸含量扩大了30～40倍，芥酸含量也相应提高；埃塞俄比亚芥神经酸含量提升了10～30倍。

碎米荠也是十字花科的一员，其神经酸含量在植物中较高。但碎米荠因为种子产量偏低，所以不适宜作为工业化生产神经酸的植物。然而碎米荠中的KCS基因却是利用基因工程提高植物神经酸含量的重要资源。Taylor等［40］将碎米荠编码KCS的基因成功转入了酵母、拟南芥、埃塞俄比亚芥和甘蓝型油菜中。碎米荠KCS基因的功能更多的是芥酸到神经酸的直接转化。转基因酵母中验证了KCS蛋白的作用；转基因拟南芥中神经酸含量增长到对照组的35～55倍，芥酸含量增长到对照组的3～4倍，二十碳烯酸下降到对照组的三分之一左右；埃塞俄比亚芥本身的KCS表达能力较弱，而在转基因埃塞俄比亚芥中最高神经酸含量达44%，芥酸残留6%；转基因甘蓝型油菜神经酸含量有所提高，但芥酸的残留含量达20%～28%，仍然较高，这可能与甘蓝型油菜自身品种含有较高芥酸有关。

蒜头果是已知的神经酸含量最高的植物，它的KCS基因也被很多学者研究。Yang等［70］公布了蒜头果发育胚胎的转录组。同时，Li等［71］将蒜头果的KCS基因（MoKCS11）转入拟南芥、荠蓝和高芥酸甘蓝型油菜中。转基因拟南芥中神经酸含量有所增加，C20∶1+C22∶1+C24∶1的比例升高；转基因荠蓝中神经酸和芥酸含量显著升高；转基因高芥酸甘蓝型油菜中神经酸含量并没有明显增加，这可能与MoKCS11基因的表达特异性有关，MoKCS11更偏爱以二十碳烯酸做最初底物，一步步催化合成神经酸，而不是以神经酸的直接前体芥酸为最初底物。同时，油菜中调控神经酸合成的基因尚不清楚，加之高神经酸植物资源稀缺，开发高神经酸转基因油菜，有望提高菜籽油的油脂品质，拓宽神经酸的生产来源。

5 展望

大脑是人体的控制中枢。我国每年脑疾病新发病人数高达1 000万例，且有很高的致死致残率。神经酸为攻克脑疾病翻开了新篇章，且有望解决部分癌症疾病。然而神经酸来源稀少，一定程度上阻遏了神经酸的应用与产品开发。

2016年，国际阿尔兹海默病协会统计调查发现，老年痴呆的发病年龄从公认的65岁提前到了55岁，出现明显年轻化趋势。通常所说的老年痴呆年轻化，其实就是早发性痴呆。国外学者研究发现，早期痴呆患者会出现明显预期寿命损失［72］。神经酸安全可靠无毒性［55，73-75］，是预防和治疗人类脑疾病、心血管疾病和皮肤病以及提高免疫力的特殊脂肪酸。神经酸发展潜力巨大，有待进一步发掘和利用，以更好地被应用到医学治疗、药品研发、身体保健方面。

测定作物神经酸含量，筛选高神经酸作物种质资源，可以为作物品质创新发展提供物质材料。植物中关于脂肪酸遗传机制的研究已有很多［43，76-81］，而关于神经酸遗传规律的研究却鲜有发表。从众多研究中发现，不同物种间各脂肪酸之间的相关性和遗传规律是有差别的，所以神经酸与其他脂肪酸的关系和遗传机制在不同物种中也可能是不同的。分析植物中神经酸的遗传，掌握神经酸的遗传规律，了解神经酸与其他脂肪酸的相关性，可为高神经酸作物遗传育种奠定理论基础，能够促进植物高神经酸种质资源发掘与改良工作。植物中神经酸的生物合成机制及神经酸含量调控基因的定位还有待深入探索和了解。此外，作物育种是缓解神经酸来源稀缺的重要手段。常规育种、分子标记辅助育种和基因工程均可以促进高神经酸作物育种。稀有特异种质、神经酸遗传分析、生物合成机制和调控基因对高神经酸作物育种具有决定性指导作用。

油菜以超强的环境适应性、广阔的种植范围、丰富的脂肪酸、可观的含油量和高效的产量，在神经酸植物中脱颖而出。随着神经酸在脑疾病等方面的应用，高神经酸油菜有望获得迅速发展。