番茄红素缓解动物线粒体损伤的研究进展

郝振芳, 蔡子慧, 杜娟娟, 陈云贺, 陈凤娟, 姜义宝, 杨旭, 张丛

(1.河南农业大学动物医学院,河南 郑州 450046;2.河南农业职业学院牧业工程学院,河南 郑州 451450)

线粒体是细胞进行氧化代谢的关键细胞器。作为细胞的“能量工厂”,线粒体内含有多种酶可参与三羧酸循环与氧化磷酸化过程并进行电子传递。然而,在各种致病因素(如细菌、病毒、环境污染物和氧化应激等)的作用下,线粒体极易出现结构和功能的损伤,导致能量转化受阻,细胞周期紊乱,机体生命活动异常[1]。线粒体发生损伤后,还会增加活性氧(reactive oxygen species,ROS)的产生,蓄积的ROS通过激活多种信号通路,引起多种转录因子和效应蛋白分子发生磷酸化/去磷酸化、乙酰化/去乙酰化等翻译后修饰,导致细胞周期受阻和细胞死亡[2]。线粒体损伤还会引起线粒体途径的细胞凋亡,释放细胞色素C等细胞凋亡诱导因子,并产生更多的ROS与更少的三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP),进而造成染色体异常分离或染色异常[3]。线粒体损伤是介导动物疾病发生发展的关键细胞器,缓解线粒体结构和功能损伤将有望成为治疗各种疾病的潜在靶点。因此,在绿色健康养殖的背景下,发掘能够减轻线粒体损伤、维持线粒体稳态的植物源性提取物对于保障动物养殖健康具有重要的意义。

番茄红素(lycopene,LYC)是自然界中广泛存在的植物色素,属于类胡萝卜素的一种,具有强抗氧化性,可抑制癌变、抗氧化应激等作用,从而有效防止组织损伤,预防疾病发生。LYC与线粒体健康关系密切,LYC可通过调节线粒体稳态减少某些疾病的发生。基于此,在畜牧养殖业中,LYC可作为潜在的绿色无公害的饲料添加剂,保障畜禽生命健康,提高畜产品质量。本综述论述了LYC的理化性质和生物学功能,重点总结了LYC对动物线粒体结构和功能的保护作用,以期为LYC在畜牧养殖业中的应用提供理论依据。

1 番茄红素及其在动物养殖中的应用

LYC是红色水果和蔬菜中的红色色素,成熟番茄是LYC的主要来源;LYC与β-类胡萝卜素是同分异构体,是一种易于被肠道吸收的脂溶性色素[4]。LYC是由11个共轭双键及2个非共轭双键组成的非环状平面共轭多不饱和烯烃[5-6]。LYC主要以全反式结构存在,是具有11个碳碳共轭双键的多个不饱和脂肪族烯烃,更易被氧化[7]。LYC也存在顺式结构,但由于空间位阻的作用,只有72种顺式异构体结构。LYC若暴露在热源甚至光照射下,其顺式结构体(主要在位置5、9、13和15)的结构会发生改变,这些位置更容易被人体吸收,因此显示出更大的生物利用度[8-9]。该特殊结构使得LYC成为淬灭单线态氧能力最强的类胡萝卜素,其抗氧化作用是β-胡萝卜素的2倍、维生素E的100倍[10]。

LYC通过物理或化学方式淬灭单线态氧来预防脂质过氧化,保护生物膜免受氧自由基的损伤[11-12]。全力[13]通过对大鼠的试验发现,LYC的加入使得大鼠血清中血红蛋白含量、总抗氧化能力和超氧化物歧化酶活性等显著升高,这表明LYC能够有效增强机体抗氧化能力来防治疾病。LYC还可通过维持线粒体生理功能来抑制氧化应激以调控氧化应激损伤和细胞凋亡,并可增强细胞间信息传递,抑制炎症反应,最终实现对中枢神经退行性疾病的保护作用[14]。此外,LYC具有抗癌作用,其脂溶性可靶向包裹肿瘤细胞,阻断营养源,从而“饿死”肿瘤细胞,抑制其扩散。LYC可促进异常细胞凋亡,这是一种治疗癌症的有效方法,目前已逐步投入临床诊疗中[15]。LYC可通过降低血液中的血清胆固醇含量,促使其快速进行氧化,清除血管壁脂质,改善动脉硬化,降低血脂、血压和消除肥胖,从而提高畜产品品质[16]。LYC具有免疫调节作用,其良好的抗炎作用能够缓解金黄色葡萄球菌导致的小鼠急性肺部炎症损伤及丙酸诱导的大鼠脑部炎症损伤[17-18]。此外,LYC在预防和治疗前列腺癌[19]、乳腺癌[20]及心脑血管疾病[21-22]与慢性阻塞性肺病[23]等方面具有很大的潜力。

在畜牧养殖方面,LYC可提高母猪妊娠和哺乳期的繁殖性能,增强妊娠母猪免疫性能[24]。将LYC作为添加剂加入到猪的饲料中,可以改善猪肉品质并提高育肥猪的抗氧化能力,提高经济价值[25]。LYC也会提高家禽免疫力,改善脂质代谢与肠道功能,保障机体健康,提高肉蛋品质[26]。此外,断奶仔猪的喂养阶段是疾病预防的关键时期,在此期间使用LYC作为饲料添加剂,将缓解仔猪早期断奶应激产生的不利影响,保护肠道屏障功能及微生物菌群,提高生长性能与经济价值[27]。由此可见,LYC作为植物源性抗氧化物质将成为优秀的饲料添加剂为动物健康养殖提供保护。

2 线粒体损伤对动物生产性能的影响

线粒体是细胞进行有氧呼吸的主要场所,为细胞的生命活动提供能量[28]。线粒体储存并积累Ca2+,控制细胞中Ca2+浓度。线粒体Ca2+信号失调,会导致线粒体质量控制紊乱,ATP产生失调,从而诱导细胞功能紊乱,动物生产性能降低[29-30]。线粒体功能障碍可降低细胞功能,并与细胞衰老密切相关,因此,研究线粒体功能将有望成为延缓衰老的重要靶点[31-32]。此外,线粒体作为细胞内主要的能量转换器,可通过调节自身的生物合成、融合与分裂,以及清除衰老和损伤线粒体来维持线粒体数量与质量。线粒体自身质量主要通过线粒体的生物发生来控制,即产生功能良好的新生线粒体,而损伤的线粒体则通过彼此间的融合后分裂产生健康和待清除的线粒体,以便及时清除异常线粒体,维持线粒体稳态从而保障细胞功能[33-34]。

线粒体损伤是指在受到内外环境危险信号损伤时,线粒体出现能量危机,进而结构与功能发生异常改变[35],呈现出线粒体质量控制系统紊乱[36]、线粒体ROS过度产生[37]及线粒体DNA损伤[38]等情况。线粒体受损后会产生更少的ATP和更多的ROS,进一步加剧线粒体的损伤,最终导致细胞功能障碍,甚至细胞死亡。维持动物线粒体稳态健康,缓解线粒体损伤已成为保障动物健康的首要手段。可以预见,深入探究线粒体各类损伤的潜在作用机制并根据其机制找寻有效的治疗措施对于畜牧养殖具有重要的现实意义。

3 番茄红素对动物线粒体损伤的缓解作用

3.1 番茄红素对动物线粒体结构损伤的缓解作用

线粒体形态结构决定其功能状态,一旦线粒体形态结构遭到破坏,将直接影响线粒体功能,最终引发细胞一连串的损伤作用[39]。因此,探究LYC对线粒体形态结构的作用具有重要意义,也是保障线粒体功能正常、缓解动物线粒体形态结构损伤的前提。LYC治疗可改善因缺血导致的线粒体内部结构和线粒体膜损伤,细胞色素C的渗出及细胞凋亡[40]。罗连响等[41]在LYC对鱼藤酮所致神经元细胞(PC12)形态的影响研究中发现,LYC通过降低鱼藤酮诱导的线粒体空泡变性、线粒体膜电位(mitochondrial membrane potential,MMP)降低及膜融合受损等形态结构损伤,来抑制鱼藤酮对PC12细胞的毒性作用。LYC能够保护由阿尔茨海默病引发的线粒体形态学的改变,减少线粒体膜通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore,MPTP)开放程度,从而阻止细胞色素C的释放,减少细胞凋亡[42]。因此,LYC对线粒体形态结构有很好的保护作用。

在LYC缓解动物线粒体结构损伤的相关研究中,LYC可以通过减少脂质过氧化、稳定质膜和调节凋亡信号通路来保护线粒体活性与质膜稳定性,从而减少公鸡精子凋亡并提高精子质量[43]。线粒体膜破裂导致细胞色素C的释放不仅会诱发细胞凋亡,在凋亡早期还会导致线粒体的肿胀,而LYC能够很好地缓解线粒体形态学的损伤,保障线粒体相关功能的实现,防止大鼠神经系统疾病的产生[44-45]。此外,LYC能够缓解邻苯二甲酸二酯(DEHP)暴露诱导的线粒体结构缺陷,线粒体空泡化及线粒体嵴破裂,保护小鼠肾脏功能[46]。另一项相关研究发现,LYC可有效保护DEHP诱导的小鼠肝脏脂肪变性和肝纤维化及线粒体超微结构损伤,包括线粒体肿胀、MMP降低和线粒体嵴消失导致的线粒体质量控制紊乱,以及线粒体动力学失衡与功能异常,最终发挥肝脏保护作用[47]。由此可见,LYC能够通过减少线粒体变性、增加MMP、促进线粒体膜流动性,修正线粒体嵴结构缓解各种不良因素诱导的线粒体形态结构损伤。

3.2 番茄红素对线粒体氧化损伤的缓解作用

线粒体是细胞内ROS的主要来源,同时也是ROS的主要攻击靶点[48]。低浓度的ROS对正常的细胞信号传递是必不可少的,但过量ROS产生使组织和细胞发生氧化损伤。在线粒体损伤情况发生时,细胞会启动线粒体自噬以便及时清除受损的线粒体并维持ROS稳态水平[49]。而当ROS产生超过线粒体可承受的范围或线粒体本身功能出现问题时,线粒体自我清除机制将会被打破[50]。线粒体被认为是氧化还原信号的关键细胞器,LYC具有强抗氧化性,能够攻击单线态氧,减少自由基对线粒体造成的损伤。此外,LYC抗氧化性可以通过缓解氧化应激导致的线粒体损伤从而减少细胞内ROS蓄积造成的神经元损伤[51]。因此,LYC通过维持线粒体氧化还原系统的平衡达到缓解由ROS过度蓄积诱发的线粒体氧化损伤的作用。

在LYC缓解动物线粒体氧化损伤的相关研究中,LYC可通过抑制氧化应激和线粒体介导的小鼠脾脏细胞凋亡来缓解黄曲霉毒素B1(aflatoxin B1,AFB1)诱导的小鼠免疫抑制[52]。另外,LYC不仅对氧化应激损伤起到治疗作用,还能够通过保护线粒体功能防治氧化应激损伤。LYC可增强抗氧化酶HO-1/NQO1的表达并改善线粒体功能从而调节小鼠肝脏脂质代谢,从而减少肝脏氧化应激损伤,防止非酒精性脂肪肝的发生[53]。LYC还可以降低ROS与MDA等主要氧化应激因子的表达并提高抗氧化酶SOD的活性,以维持小鼠心肌组织线粒体-脂质稳态的调节能力[54]。在小鼠肝脏氧化应激条件下,LYC的加入可以改善肝脏胰岛素信号的传导,并增强线粒体功能从而缓解氧化应激造成的肝脏一系列的损伤[55]。相关研究通过建立d-半乳糖诱导的鸡卵巢衰老培养模型发现,LYC能够经抗氧化作用减少ROS蓄积导致的衰老,激活Nrf2/HO-1通路,保护线粒体相关功能,最终减缓蛋鸡卵巢的衰老,提高生产性能[56]。由此可见,提高机体抗氧化能力与缓解线粒体氧化损伤是减轻线粒体功能损伤最重要治疗方案。LYC是一种天然抗氧化剂,具有产量大、易生产、价格低、作用广等多种优势特征,对其进行开发将为治疗动物线粒体相关疾病提供一种新的思路。

3.3 番茄红素对动物线粒体动力学及生物发生损伤的缓解作用

线粒体质量控制是通过线粒体融合、裂变、自噬与线粒体生物发生来实现的[57-58]。线粒体是一个高度动态的细胞器,不断进行融合与裂变,这一过程决定了线粒体的完整性和功能[59]。线粒体裂变是细胞分裂所必需的,需要通过线粒体分裂去除受损的线粒体。相比之下,线粒体融合使受损的线粒体DNA(mtDNA)得到补充,并促进细胞内的能量分配[60]。线粒体分裂和融合2个相反过程的平衡可用来调节线粒体的数量、大小和在细胞质中的位置,这一过程被称为线粒体动力学[61]。良好的线粒体动态平衡是组织细胞内稳定的基础与关键。另外,线粒体作为细胞的关键细胞器,其内稳态的平衡对于机体至关重要,需要线粒体的生物发生调节线粒体的质量、分布和活性来维持[62]。因此,线粒体动力学及线粒体生物发生损伤已经成为当下研究不可忽视的方向。

在LYC缓解动物线粒体动力学及生物发生损伤的研究中,SHEN等[63]发现,LYC能够抑制DEHP诱导的小鼠心脏线粒体动力学紊乱与生物发生损伤,最终抑制小鼠线粒体疾病的发生,保护心脏功能。同时, LYC能够减轻DEHP诱导的小鼠肝脏线粒体动力学失衡,最终缓解肝脏毒性[64]。在畜禽生产中,饲料被各种真菌毒素(玉米赤霉烯酮、脱氧雪腐镰刀菌烯醇和黄曲霉毒素等)污染后,会诱导动物肠道及其线粒体损伤。经小鼠试验发现,LYC能够阻止真菌毒素的毒性作用,维持线粒体动力学平衡,最终实现对肠道的保护作用[65]。此外,LYC还可以通过诱导线粒体生物发生维持线粒体的数量与质量。线粒体生物发生负责对线粒体数量的调控,PGC1是线粒体生物发生的关键调控因子,P-AMPK是线粒体能量传感器。研究证实LYC能够靶向提高生物合成蛋白P-AMPK的表达,同时P-AMPK能通过激活靶蛋白PGC1来促进线粒体的生物发生,缓解线粒体功能障碍,最终延缓衰老[66]。此外,LYC能够很好地通过线粒体生物发生途径缓解AFB1对线粒体的损伤作用,最终实现对小鼠睾丸及鸡肝脏的保护[67-68]。

3.4 番茄红素对线粒体自噬损伤的缓解作用

受损或衰老的线粒体需要被清除才能保证细胞线粒体稳态,这一过程的调节便是由线粒体自噬实现的。PTEN诱导激酶1(PINK1)和Parkin RBR E3泛素蛋白连接酶(Parkin)信号在线粒体自噬和线粒体运动及大小中起关键作用[69]。IMAI[70]研究表明,PINK1/Parkin信号通路的突变会破坏由线粒体进行的敏感的内稳态和质量控制过程,导致线粒体功能障碍,引发疾病。当线粒体自噬紊乱,便会导致线粒体正常功能障碍,以致不能清除机体内功能异常的线粒体,进而使得整个机体生命活动受到影响,心脏、肝脏及代谢性的疾病也由此产生。因此,保障线粒体自噬将有望成为治疗线粒体性疾病的一个重要靶点。

在维持动物线粒体自噬稳态的相关研究中,尹晓岚[46]研究发现,LYC可以缓解永久性结扎双侧颈总动脉造成的MMP下降和MPTP开放,并通过激活NIX依赖性线粒体自噬,缓解永久性结扎双侧颈总动脉造成的线粒体损伤,从而改善大鼠学习记忆障碍。LYC对于线粒体自噬的保护作用不仅体现在促进作用,同时还具有抑制作用。DAI等[71]研究表明,LYC的补充通过降低PINK1和Parkin介导的线粒体自噬蛋白表达含量及与其相关的线粒体自噬因子(P62、Bnip3、VDAC1、FUNDC1、TOMM20、TOMM40和TOMM70)的表达,抑制线粒体自噬异常激活而导致线粒体自噬过度表达,恢复线粒体稳态,最终发挥小鼠心脏和脾脏保护作用。此外,ZHU等[72]研究发现,LYC治疗后可以显著改善线粒体自噬水平,破坏线粒体自噬与焦亡串联,并通过调节白细胞介素-6(IL-6)/信号转路子和转录激活子3(STAT3)/叉头框蛋白01(Fox01)轴,提高胸腺白细胞共同抗原(CD45)水平,维持小鼠胸腺内稳态。DEHP是广泛存在的环境污染物,已被证实对男性生殖器官具有毒性作用,而对雄性小鼠的试验发现,LYC对DEHP诱导的线粒体自噬具有预防作用,并可通过激活线粒体未折叠蛋白反应来缓解线粒体的应激作用,极大地减轻了DEHP的毒性作用[73]。除DEHP外,邻苯二甲酸二丁酯(DBP)对于男性生殖系统也有不良影响,同样通过小鼠试验发现,LYC可以抑制ROS/JAK2/STAT3信号通路,减少线粒体自噬的发生,改善睾酮合成[74]。由此可见,LYC可根据其线粒体稳态调控机制,对线粒体自噬水平进行纠正,以此保证线粒体健康,发挥线粒体保护作用。

4 存在问题与展望

线粒体结构和功能损伤是导致动物发生疾病的重要因素。发掘能够维持线粒体稳态、减轻线粒体损伤已成为促进动物健康发展的首要手段。在减抗/替抗的背景和追求高品质畜产品的需求下,发掘一种绿色无公害、天然无污染的植物提取物作为饲料添加剂十分重要。LYC广泛存在于红色果蔬中,易获取,成本低,同时具备强抗氧化性,因此可作为饲料添加剂和减轻毒物危害的功能性饲料添加剂。LYC具有促进动物生长,提高动物抵抗力和畜产品质量的优点。然而,在动物生产中推广LYC应用仍存在问题需要解决。一是当前LYC尚未商品化,其在发挥作用的同时是否会对内脏器官带来一定的毒副作用。二是LYC作为脂溶性胡萝卜素,其在消化道中的吸收效率相对较低,一旦机体对LYC的吸收率降低,那么LYC的各项生物功能也将无法实现。如何增加LYC吸收效率将成为未来探究的重要环节,通过物理修饰、化学修饰、纳米化和脂质体包裹等是否能提高其吸收效率需要进一步探究。三是LYC在动物健康养殖中的作用及分子机制的研究相对较少,仍处于起步阶段。LYC单纯通过不饱和键发挥抗氧化作用,还是调控其他分子发挥其保护作用,且是否存在种属差异性,尚不清楚。四是LYC对线粒体形态结构损伤的保护作用机制研究还需要进一步深入,对于LYC是否能在畜禽生产中通过保护线粒体形态学以保障线粒体功能的实现有待深入挖掘。未来可将LYC对线粒体形态结构的潜在作用机制作为相关研究的重点,以期找到缓解动物线粒体形态结构损伤的全新治疗方向,进一步提升LYC在畜牧业中的实用价值。