GPX2 對腸道炎癥通路的作用機制及營養調控的研究進展

楊璐璐，黎力之，關瑋琨，廖曉鵬，張海波*，郭冬生*

（1.宜春學院生命科學與資源環境學院，江西省高等學校硒農業工程技術研究中心，宜春市功能農業與生態環境重點實驗室，江西宜春 336000；2.宜春學院繼續教育學院，江西宜春 336000）

谷胱甘肽過氧化物酶2（Glutathione Peroxidase 2，GPX2）屬于GPX 家族中一種多聚體硒蛋白，活性中心為硒代半胱氨酸（SeCys）殘基，其具有保護腸道細胞免受氧化損傷、發揮抗凋亡等作用[1]。核因子-кB（Nuclear Factor-kappa B，NF-кB）與活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）是腸道炎癥通路中關鍵參與者，GPX2 對兩者均有調節作用。一方面，GPX2 介入上游核因子-кB 抑制蛋白激酶（Inhibitor of Kappa B Kinase，IKK）活性調節通路，對IKK 復合物及其磷酸化過程產生抑制作用，影響NF-кB 的激活和釋放，間接抑制其下游炎性基因環氧合酶（Cyclooxygenase，COX）、脂氧合酶（Lipoxygenase，LOX）和腫瘤壞死因子（Tumor Necrosis Factor，TNF）等表達，防治腸道炎癥[2]。另一方面，GPX2 可消除雙氧化酶2（Dual Oxidase2，DUOX2）產生過氧化氫（Hydrogen Peroxide，H2O2）對機體的危害作用，還可抑制Wnt 信號、脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）、TNF 等細胞因子表達，阻礙NADPH 氧化酶1（NADPH Oxidase 1，NOX1）介導產生ROS，進而阻止過量ROS 引起的內質網應激及腸道屏障損傷，維持腸上皮細胞正常形態，發揮腸道正常功能[3-4]。研究表明，缺GPX2 小鼠易發生回腸結腸炎，且在結腸炎小鼠腸道中發現GPX2 活性及基因水平顯著降低，補充GPX2 可緩解小鼠腸道病癥[5]。因此，本文重點綜述GPX2 參與腸道炎癥相關通路的調節作用，以期為預防動物腸道炎癥提供理論依據。

1 GPX2 簡介

1.1 GPX2 結構 哺乳動物體內GPX 中的GPX1、GPX2、GPX3、GPX4、GPX6 屬于硒蛋白[6]，催化活性位點皆含SeCys 殘基，是硒在動物體內的主要存在形式[7]。GPX 與氫過氧化物接觸過程中，谷氨酰胺的酰胺基及色氨酸的亞氨基可加固SeCys 的硒氫基，形成催化三聯體結構，增強其對氫過氧化物的攻擊性[8]。GPX2 在腸道上皮隱窩-絨毛軸基底部濃度最高，因此也被命名為GI-GPx 或GPx-GI，其結構層次居GPX 家族第一位，屬于一種較獨立的四聚體[9]。在GPX2 中，寡聚變異體結構將2 個扁平伸長、無規則的結構包圍起來，其1 條側鏈伸入另一單體中央空腔中，將2 個單體亞基相連，通過α-螺旋與另外2 個單體結合形成四聚體結構，同時功能螺旋中2 條鏈間鹽橋強制固定GPX2 的單體形成同源四聚體結構，特異性催化底物與GPX2 活性中心進行氧化還原反應[8]。GPX2 結構如圖1 所示。

圖1 GPX2 結構[8]

1.2 GPX2 生物學功能 GPX2 可催化H2O2、叔丁基氫過氧化物、亞油酸過氧化氫等，具有強抗氧化能力[8]。Barrera 等[10]用異硫氰酸鹽與硒共同處理小腸上皮吸收性腸細胞，發現GPX2 抗氧化能力增強，抑制了因H2O2誘導的細胞凋亡。研究表明，對UVC 輻照小鼠給予蝦青素治療，其GPX2基因表達水平及抗氧化能力顯著增強，緩解氧化應激[11]。GPX2 還可防止腸上皮細胞氧化受損，對腸道炎癥造成的動物腸黏膜萎縮、腹瀉和食欲不振等有積極治療作用[12]。GPX1和GPX2雙基因敲除小鼠其結腸黏膜嚴重受損，易發生結腸炎，補充GPX1 對緩解炎癥無任何效果，而在補充GPX2 后炎癥病程有所緩解，表明GPX2 在治療腸炎中具有重要功能[13]。Shi 等[14]在治療由硫酸葡聚糖硫酸鈉引起的大鼠結腸炎中發現，提高結腸中GPX2 活性可以抑制白介素（IL）-1α、IL-6 等促炎因子分泌，維護結腸黏膜正常免疫功能。同時，GPX2 可抵抗因過敏原誘發的氣道炎癥；牛乳中GPX2 可降低乳腺上皮細胞受氧化損傷所引起的牛乳腺炎發病幾率[15-16]。此外，GPX2 還具有維護動物正常繁殖性能、抵御腫瘤等生物學功能[17-18]。

2 GPX2 對動物腸道炎癥通路的影響

GPX2 主要借助2 條途徑預防腸道炎癥發生：其一，通過降低IKK 復合物活性及擾亂其磷酸化過程，干預NF-кB 的合成釋放，進而影響其下游炎癥通路；其二，通過減少NOX1 及DUOX2 表達，阻止ROS 過量產生，避免上皮細胞凋亡[19-20]。

2.1 GPX2 介導NF-кB 信號轉導通路調節動物腸道炎癥 NF-кB 作為炎癥等疾病發生的重要標志物，參與炎癥反應、免疫調節和腫瘤調控等生理進程，其活化與釋放均與IKK 復合物密切相關[19]。IKK 復合物是由IKK1 與IKK2 的催化亞基及NF-κB 必需調節蛋白/IKK調節蛋白共同組成[19]。研究發現，在NF-кB 的上游通路中，GPX2基因表達后可抑制IKK 復合物激活，間接阻止NF-кB 抑制蛋白磷酸化，使NF-кB 活性降低[21]；而在NF-кB 的下游通路中，GPX2 也可通過抑制炎癥脂質介質COX、LOX和誘導型一氧化氮合酶（Inducible Nitric Oxide Synthase，iNOS）等基因表達，緩解腸道炎癥[21]。促炎介質COX、LOX和iNOS等作為NF-кB信號通路中的炎性基因，可導致免疫失調、組織損傷及炎癥反應等發生[19]。COX2 過表達可刺激具有促炎效應的下游生物活性物前列腺素E2（Prostaglandin E2，PGE2）產生，引發機體炎癥、疼痛和發熱等[22]。同樣，LOX 可催化膜脂過氧化作用，加快細胞膜流動性，破壞腸上皮屏障；iNOS 則誘導一氧化氮（Nitric Oxide，NO）產生，造成組織損傷引發炎癥[23-25]。綜上所述，在NF-кB 誘導的炎癥通路中，一方面，GPX2 可通過降低IKK 復合物活性，阻斷NF-кB 的上游通路；另一方面，在下游通路中，GPX2 抑制炎性介質基因COX、LOX和iNOS等表達，防止促炎因子PGE2、過氧化物和NO對腸道的破壞（圖2）。由此可見，GPX2 在保護腸道免受炎性有害物質入侵、維護腸上皮完整性、保障動物機體正常生理功能中具有重要作用。

2.2 GPX2 介導ROS 相關通路調節動物腸道炎癥 腸上皮細胞屬于腸道屏障重要組成結構，ROS 是細胞中較活躍的一類含氧活性物質，可維持細胞正常生長，而過量的ROS 則會誘發DNA 突變、蛋白質變性和組織損傷等氧化應激反應[25]。ROS 一是通過核黃素激酶（Riboflavin Kinase，RFK）介導的腫瘤壞死因子相關凋亡誘導配體受體和NOX1 相結合途徑生成；另外，通過DUOX2 誘導也可以生成ROS。NOX1 復合物主要產生超氧化物，而DUOX2 主要產生H2O2[20,26]。

圖2 GPX2 介導NF-кB 信號轉導通路調節動物腸道炎癥

NOX1 途徑在結腸上皮高度表達，是動物體內ROS 重要來源之一[20]。研究發現，TNF 促使NOX1基因表達，一方面，TNF 激活TNF 受體1（Tumor Necrosis Factor Receptors1，TNFR1）后，在RFK 的共同作用下，將TNFR1 死亡域結構與NOX1 中p22 phox 亞基連接，進而促使NOX1基因表達；另一方面，TNF 可結合Ras 相關的C3 肉毒素底物1（Ras-related C3 Botulinum Toxin Substrate 1，Rac1）構成復合物，提高NOX1 活性[20]。小鼠腸道缺乏GPX2，NOX1表達量顯著升高，造成早發性回腸結腸炎[20]。軒青霞等[27]在慢性結腸炎動物模型中發現，腸道病變組織中NOX1基因表達顯著高于對照組。由此推測，GPX2 可能通過TNF 的2 種途徑（TNFR1 和TNF-Rac1 復合物）抑制NOX1基因表達，但具體途徑還需要更多試驗證實。另外，在TNF、γ干擾素（IFN-γ）和LPS 等刺激下，NOX1高表達，激活下游PI3K/AKT、Wnt/β-catenin 和Notch1 信號[28]。在此過程中，一是可以調控連環蛋白靶點（如細胞周期D1），加速細胞增殖活化及增加前體隱窩細胞數量；二是可以激活Notch1 通路的下游轉錄靶點，加速腸黏膜前體細胞向腸上皮成熟細胞分化進程，使隱窩細胞持續增殖，破壞腸上皮穩態，引發腸道炎癥[28]。Li 等[29]研究發現GPX2 沉默時，β-catenin及Wnt2 水平下降，上皮間質細胞轉化過程被抑制，延緩腸上皮損傷。ROS 另一重要來源是DUOX2 途徑，DUOX2 主要定植于結腸上皮細胞內質網中，由二元氧化酶成熟因子2 激活，直接產生H2O2[30]。H2O2過量會進一步誘發內質網應激，激活其下游肌醇需求酶1（Inositol-requiring Enzyme-1，Ire1）、蛋白激酶R 樣內質網激酶（Protein Kinase R-like ER Kinase，Perk）和活化轉錄因子6（Activating Transcription Factor 6，Atf6）3 條蛋白信號通路與正確結合蛋白葡萄糖調節蛋白78 解離，而與錯誤折疊蛋白結合，造成腸上皮細胞內質網功能紊亂，炎性因子IL-8 水平升高，引發早期結腸炎[30]。研究發現，使DUOX2 活性降低可減輕因GPX2基因缺失引起的腸道炎癥[26]。

綜上所述，GPX2 可通過抑制NOX1 刺激因子TNF、IFN-γ和LPS 等表達，降低NOX1 活性，阻止ROS 產生；同時，GPX2 可直接抑制H2O2過量產生，阻止內質網應激出現，也可影響Wnt/β-catenin 通路，阻斷細胞持續增殖進程，維護腸上皮穩態（圖3）。因此，在預防因ROS 誘發的動物腸道炎癥過程中，其一，可以從其關鍵來源NOX1 入手，提高GPX2 含量使NOX1失活，使ROS 生成量下降；其二，可以利用GPX2 消除過多H2O2，使內質網免受氧化應激，保證其下游蛋白Ire1、Perk 和Atf6 正常功能；其三，干擾ROS 下游傳導Wnt/β-catenin 信號，可以防止前體細胞成熟化，抑制腸上皮細胞無限增殖，以達到維護動物腸道健康，保證營養物質攝入，促進動物正常生長發育。

3 通過營養手段調控GPX2 改善動物生長

圖3 GPX2 介導ROS 相關通路調節動物腸道炎癥

目前可借助添加硒、益生菌、中草藥（如仙鶴草）等多種營養調控手段提高GPX2 表達，促進動物生長發育。Lee 等[31]對斷奶仔豬補充納米硒后，發現其肝臟中GPX2 等硒蛋白表達增加，仔豬肝臟內抗氧化譜及免疫能力提高，日增重及日采食量顯著上升。硒缺乏的雛雞飼喂富硒酵母飼料后，十二指腸腸黏膜中硒含量增加，GPX2 含量及抗氧化能力提高，IL-4 和IL-6 水平顯著降低，減少自由基對腸道的氧化損傷，降低腸炎發生率[32]。Zhang 等[33]給斷奶仔豬飼喂添加羅伊氏乳桿菌飼糧，發現仔豬體內GPX2 含量升高，抗氧化能力增強，機體氧化應激反應減弱，腸道活動和采食量恢復正常。在仔豬日糧中添加中草藥仙鶴草可使其日采食量和日增重增加，抗菌抗氧化能力增強，機體中GPX2 濃度增加，NF-кB 通路被抑制，炎性因子表達減少[34]。對綿羊飼喂不同硒源日糧后發現，腸道血液和組織中硒含量增加，GPX 活性升高，吞噬細胞活性隨之增強，提升腸道抗氧化能力[35]。由此可見，通過營養調控可促進GPX2在動物肝臟、腸道等多種器官中發揮抗氧化功能，改善動物生長。此外，在研究由球蟲病引起的乳犢牛腸道炎癥時發現，對照組乳牛出現嚴重腹瀉，腸絨毛高度降低，隱窩細胞凋亡，GPX2 含量呈代償性上升，表明GPX2具有緩解腸道炎癥的潛力[36]。因此推測，GPX2 通過參與防治組織氧化損傷、降低炎性因子分泌、改善腸道形態等過程，在防控動物慢性腸道炎癥、維持腸道健康中起主導作用。綜上所述，GPX2 增加對提高動物生產性能（如日增重、采食量）、增強免疫應答、降低腸道疾病發生率等均具有重要意義。

4 小結與展望

GPX2 具有提高機體抗氧化能力、降低炎性細胞因子分泌和防治腸組織受損等作用。在以NF-кB 和ROS 為誘因的腸道炎癥中，GPX 參與上游合成通路抑制NF-кB 和ROS 產生：①降低IKK 復合物活性，抑制其對IкB 蛋白磷酸化過程，切斷NF-кB 釋放進程；②阻止TNF、LPS 和IFN-γ等因子激活NOX1，抑制DUOX2 生成，阻斷過量ROS 產生。這2 條通路間接抑制外來炎性因子基因表達，制止ROS 對上皮細胞發出凋亡信號，阻止下游PI3K/AKT、Wnt/β-catenin、Notch1 信號和內質網異常蛋白表達過程，保障腸上皮屏障正常生長，防止腸上皮細胞內質網氧化應激出現，阻止腸道炎癥發生。目前，GPX2 在維護動物腸道健康方面的研究逐漸增多，其在動物炎癥治療方面的潛力越發明顯。但GPX2 在腸道炎癥中具體作用機制研究尚淺，如何提高動物體內GPX2 濃度、GPX2 在不同腸段中是否具有不同作用、GPX2 是否參與更多的炎癥因子通路等問題尚未明確，還需進一步深入探究。雖然目前GPX2 在動物腸道健康及生長中的應用很少，隨著GPX2 的深入研究及作用機制更加明晰，其將成為動物腸病治療的有效路徑之一。