精氨酸對動物腸道炎癥的影響及其在畜牧生產上的應用研究進展

熊傳帥，黎力之，周建旭，關瑋琨，廖曉鵬，張海波*，郭冬生*，文 龍（.宜春學院生命科學與資源環境學院，宜春學院繼續教育學院，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 6000；.小金縣畜牧獸醫服務中心，四川阿壩藏族羌族自治州 6400；.江西正宇生物科技有限公司，江西宜春 6000）

精氨酸（Arg）呈白色晶體，分子式C6H14N4O2，分子量為174.20，屬堿性氨基酸，是動物條件必需氨基酸之一，有L-Arg 和D-Arg 2 種異構體，動物體內主要以L-Arg 存在[1]。Arg 作為機體中多種蛋白質的重要組成成分，在修復機體受損結構方面有重要作用，Arg還可轉化為多胺（PA）及一氧化氮（NO）等物質，改善腸道菌群結構，緩解腸道炎癥反應，提高動物免疫功能[2-3]。Arg 緩解腸道炎癥主要機制：抑制白細胞介素（IL）-1β、IL-2 及IL-17 等促炎因子分泌釋放，提高細胞因子IL-10 及免疫球蛋白IgA 和IgG 等含量；Arg可結合雷帕霉素復合體1（mTORC1）的胞漿精氨酸傳感器1（CASTOR1），激活mTORC1 通路，促進蛋白質合成，加快腸道受損結構修復過程；Arg 激活核因子E2 相關因子2（Nrf2）與抗氧化反應元件（ARE）構成的Nrf2/ARE 通路，上調谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）、超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）等抗氧化蛋白基因表達，提高機體抗氧能力，增強動物免疫系統功能[4-8]。本文主要綜述了Arg 調節動物腸道炎癥的機理及其在動物生產中的研究進展，旨在為Arg 的進一步利用提供理論參考。

1 精氨酸對動物腸道炎癥的影響

腸道菌群失調是腸道炎癥的發生與發展的主要影響因素之一[9]。腸道菌群的失調會破壞其與機體的動態平衡，誘發免疫紊亂，致病菌含量的增加會導致腸道通透性改變，加劇細菌移位，誘導腸道炎癥反應[10-11]。在改善腸道菌群方面，小鼠飼糧中補充0.4% Arg 可以使空腸及回腸中擬桿菌門和雙歧桿菌等優勢菌門豐度顯著增加，轉化生長因子（TGF）及IL-4、IL-5、IL-10、SIgA 等細胞因子含量顯著提高，T 淋巴細胞依賴性通路被激活，從而維護腸道健康[12]。小鼠飼糧中補充0.5%Arg 飼喂14 d，空腸及回腸厚壁菌門豐度顯著降低，擬桿菌門豐度顯著增加，空腸及回腸中SIgA 含量顯著提高，空腸及回腸中多聚IgA 與IgM 的連接鏈與聚合物Ig 受體表達顯著提高，促進SIgA 分泌，使腸道避免受到細菌侵害，從而維護腸道穩態[13]。修復腸道損傷結構方面，金頭鯛皮膚損傷會導致其腸道屏障功能下降，緊密連接受到破壞，從而發生炎癥反應，而在其基礎飼糧中添加1% Arg 飼養30 d 后，機體中Toll 樣受體（TLR）、IL-1β、腫瘤壞死因子基因表達顯著降低，TGF-β及緊密連接蛋白含量顯著提高，腸道緊密連接程度提高，抑制炎癥反應[14-15]。Arg 還可通過精氨酸酶的分解合成PA，參與修復損傷組織、促進細胞增殖分化與膠原蛋白的合成，修復腸道免疫屏障[16]。誘導型一氧化氮合酶（iNOS）催化Arg 產生NO，清除部分自由基，降低因腸黏膜脂質過氧化導致的腸黏膜損傷，并作為效應分子和免疫調節分子，抑制T 淋巴細胞異常增生，調節基因表達，促進蛋白質合成，緩解因腸黏膜蛋白質合成不足造成的不利影響[2]。此外，Arg 還可激活腸先天性免疫系統，緩解炎癥反應，增強機體免疫力。斷奶會導致仔豬腸道黏膜損傷，免疫功能下降。研究顯示，在仔豬自然哺乳情況下，21 日齡后斷奶，每日補飼Arg 40 mL，與對照組相比，24 日齡仔豬腸道黏膜IgA、IgG 及細胞因子IL-10 含量分別提高30.30%、8.03%、6.39%，28 日齡仔豬腸道IgA、IgG 及IL-10 含量分別提高12.37%、4.72%、12.03%，促炎因子IL-2、IL-1β含量降低5.24%、8.20%，表明Arg 可激活動物固有免疫，抑制炎癥反應[4]。綜上所述，Arg 可調節腸道菌群結構，參與蛋白質合成，修復腸道受損結構，緩解腸道炎癥所帶來的腸道黏膜損傷改善腸道微結構，維護腸道屏障正常功能，Arg 還可激活動物先天性免疫，減少IL-1β、IL-2 及IL-17 等促炎因子釋放，提高細胞因子IL-10 及IgA 和IgG 等免疫球蛋白的含量，降低炎癥反應。

2 Arg 調節動物腸道炎癥的作用機理

2.1 Arg 通過Arg-mTOR 信號調節腸道炎癥 Arg 依賴于mTOR 信號途徑的激活發揮抗炎作用[6]。mTOR 是一種高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，屬磷脂酰肌醇-3-激酶相關激酶家族成員之一，通過mTORC1 與mTORC2 調節細胞過程[17]。mTORC1 是動物生長發育的主要調控因子，參與調控機體多種腸道炎癥性，調節免疫功能[7,18-20]。CASTOR1 會與GATOR2 蛋白結合并抑制其活性，負調控mTORC1 的活性，而Arg 可通過結合CASTOR1，釋放GATOR2 后與GATOR1 再結合，消除CASTOR1 的負面作用，激活Arg-CASTOR1-mTORC1 通路[21]。mTOR 通路的激活也與腸道菌群密切相關。腸道菌群及其代謝產物可調節機體的免疫功能與抗氧化功能，而mTOR 通路介導其中許多環節[22]。幼兔飼糧中補充0.6% Arg 飼養至65 d，可改善腸道組成，盲腸中羅斯氏菌、別樣桿菌屬、擬桿菌門及瘤胃梭菌屬豐度顯著增加，促進潛在益生菌的定植，提高短鏈脂肪酸（SCFAs）等微生物代謝物的產生，激活mTOR通路，調控腸上皮細胞抗菌肽表達，抵御病原體和細菌的入侵，維護腸道健康[23-25]。微生物群分泌產物（如SCFAs）可抑制T 細胞中的組蛋白去乙酰化酶，導致p70S6K 的乙酰化和rS6 的磷酸化，激活mTOR 通路，促進細胞因子IL-10、IL-17 及干擾素-γ分泌及釋放，產生調節性IL-10+T 細胞，調節免疫細胞的活動，緩解腸道炎癥反應[26]。此外，以子宮內生長遲緩（IUGR）仔豬為試驗動物模型，基礎飼糧中補充0.6% Arg 14 d，顯著提高了腸道p70S6K 與mTOR 含量，mTOR 通路激活，腸細胞凋亡降低，從而改善IUGR 動物腸道生長性能[27]。L-Arg 刺激小腸上皮細胞吸收更多mTOR 和p70S6K，可加快空腸蛋白質合成速率，提高腸細胞遷移效率，修復病毒性腸炎導致的腸道損傷[28-29]。研究發現，與對照組相比，飲水中添加0.6 mL/L Arg 組蛋雞的mTOR 蛋白豐度與磷酸化程度提高，mTOR 通路被激活，刺激了腸道細胞增殖分化，修復腸道受損結構，改善腸黏膜完整性，促進腸道生長發育[30-31]。綜上所述，Arg 可直接激活mTOR 信號通路，或通過調節腸道菌群組成間接激活mTOR 通路，促進腸道蛋白質合成，加快腸道炎癥損傷結構的修復速率，增強腸道屏障功能，緩解腸道炎癥反應，維護腸道健康。

2.2 Arg 通過激活Nrf2/ARE 通路調節腸道炎癥 Nrf2與ARE 結合后，形成Nrf2/ARE 通路，誘導下游多種抗氧化基因的表達，增強機體抗氧化功能，緩解腸道炎癥反應[32]。Arg 激活Nrf2/ARE 通路，提高機體抗氧化蛋白表達，并通過激活谷氨酸（Glu）-半胱氨酸連接酶（GLGL）-谷胱甘肽合成酶（GSHS）合成谷胱甘肽（GSH）合成GSH，增強機體清除超氧化物、自由基和過氧化物等物質的能力，調節機體免疫功能[8,33-34]。采用250、500、1 000 mg/kg 水平的L-Arg 飼養小鼠14 d 后，隨著L-Arg 攝入量的增加，Kelch 樣環氧氯丙烷相關蛋白1（Keap1）和Cul3 蛋白表達逐漸降低，Nrf2 蛋白隨L-Arg攝入量的提高分別增加23.35%、73.17%、82.34%，隨后Nrf2 蛋白與Keap1 蛋白解偶聯，進入細胞核與ARE結合，激活Nrf2/ARE 通路，提高下游CPX、SOD及CAT等抗氧化酶基因表達，增強抗氧化系統功能，抵御外界氧化應激，預防炎癥反應[8,35]。研究表明，湖羊飼糧中添加0.5% Arg 飼養至下一個發情周期，與對照組相比，Nrf2、ARE 蛋白含量SOD、CAT、GPX 含量分別提高5.28%、4.80%、6.43%，抑制核因子кB 抑制蛋白激酶復合物激活，阻止NF-кB 蛋白磷酸化，下調炎癥脂質介質環氧合酶和脂氧合酶基因表達，維護結腸黏膜完整性，緩解了腸道炎癥反應[36-38]。在小鼠飼糧中添加1% Arg，飼養48 h 后，與對照組相比，T-AOC提高35.89%，GSH 及CAT 含量分別提高166.28%、141.12%，增強機體抗氧化系統能力，清除機體中過量的超氧化物、ROS 和過氧化物等物質，防止其過量誘導機體發生潰瘍性結腸炎[39-40]。此外，L-Arg 在甘氨酸脒基轉移酶及ARG 催化氧化下，激活Glu-GLGLGSHS 合成GSH[30-31]。GSH 通過活化腺苷酸依賴的蛋白激酶（AMPK），抑制腸道炎癥，提高動物免疫力[41]。Arg 可顯著增加腸道p-AMPKα，激活AMPK 通路，調節腸道緊密連接，緩解炎癥反應[42]。總之，Arg 可激活Nrf2/ARE 通路，上調機體GPX、SDO及CAT等抗氧化基因表達，提高機體內抗氧化蛋白含量，降低炎癥因子表達及釋放；Arg 還可激活Glu-GLGL-GSHS 合成GSH，活化AMPK 蛋白，緩解腸道炎癥反應，維護腸道健康。

3 Arg 在動物生產方面的應用

3.1 Arg 促進動物生長性能 Arg 在改善動物消化吸收能力、增加增重率（WGR）、提高動物生長性能方面具有重要作用。陳西風等[43]研究發現，與對照組相比，0.4%、0.8%、1.2% Arg 組肉雞平均日增重分別提高13.02%、15.72%、15.21%，表明Arg 可有效促進動物生長發育。趙紅霞等[44]研究顯示，與對照組相比，2.64% Arg 組黃顙魚幼魚飼料系數降低2.54%，WGR提高2.51%，腸道堿性磷酸酶和γ-谷氨酰轉肽酶活性分別提高67.92%、31.82%，改善消化吸收性能。Zhen等[45]研究表明，與對照組相比，在石斑魚飼糧中用30% 魚粉蛋白替代豆粕并補充0.5% Arg，WGR 提高76.96%，石斑魚中近側小腸褶皺高度（Fh）及肌肉層厚度（MLs）提高12.54%、35.06%，中腸Fh 與MLs提高15.55%、31.42%，腸黏膜表面積增大，營養物質消化吸收能力上升，加快動物生長。

3.2 Arg 改善動物肉品質 Arg 還可促進肌肉生長，降低滴水損失與蒸煮損失，提高肌肉嫩度，改善肉品質。Hu 等[46]研究發現，育肥豬飼糧中添加1% Arg 后，其股二頭肌與背最長肌的肌內脂肪分別提高37.80%、37.45%，背脂厚度降低，脂肪酸組成發生改變，提高豬肉品質。Huan 等[47]研究表明，與對照組相比，1.0 g/kg Arg 組育肥豬的肌肉大理石花紋呈現線性增加，滴水損失與蒸煮損失分別降低5.99%、10.21%，改善肌肉品質。Castro 等[48]根據ROSS 308 的標準為肉雞提供100% 的結晶Arg 飼養42 d 后，與飼喂70% Arg 的對照組相比，胸肌含量提高27%，瘦肉沉積增加，提高肌肉產量。

3.3 Arg 促進動物生產性能 Arg 可提高精子活性，降低胚胎死亡率，改善動物繁殖性能。Hong 等[49]研究發現，公豬飼糧中添加1% Arg，精子活力及有效精子數量分別提高7.57%、37.81%，異常精子數量降低43.90%，公豬精液品質得到改善。Chen 等[50]研究顯示，向小鼠腹膜內注射10 mg/kg 單端孢霉烯霉菌毒素可明顯降低小鼠生殖性能；在小鼠飼糧中加入25 mg/kgL-Arg，飼養至配種后15 d，其精子活率、血清睪酮濃度以及總精子數量較對照組分別提高39.15%、93.99%、49.42%，接近正常小鼠精子性能，表明L-Arg 可恢復精子活力，修復其生殖損傷。Zhang 等[51]研究表明，在母豬妊娠第70～110 天飼喂1.5% Arg 飼糧，其總產仔數與仔豬存活率較對照組分別提高8.03%、8.59%。張林林等[52]研究顯示，飼喂母獺兔含0.6% Arg 的飼糧35 d，其體重顯著增加，再次受胎率提高11.1%，吮乳仔兔35 d 的體重顯著高于其他各組，降低了動物產后應激反應，提高了母乳質量。以上研究結果表明，飼糧中添加Arg 可改善動物的繁殖性能。

4 小 結

Arg 結合CASTOR1 破壞其對mTORC1 的負反饋作用，激活Arg-mTORC1 通路，加快腸上皮細胞恢復進程，抑制促炎因子表達，還可能通過調節腸道菌群組成，促進有益微生物代謝物的產生，激活mTOR 通路，緩解炎癥反應；Arg 還可增加Nrf2 蛋白含量，激活Nrf2/ARE 通路，促進下游GPX、SDO及CAT等抗氧化基因表達；此外，Arg 還可激活Glu-GLGL-GSHS合成GSH，提高機體抗氧化能力，緩解炎癥反應，維護腸道健康。動物飼糧中添加適量Arg，可改善動物肌肉品質，降低滴水損失，改善腸道消化吸收能力，提高動物生產性能及繁殖性能。但Arg 如何參與其他通路調節腸道炎癥反應；除肝激酶外，Arg 是否通過調節其他激酶激活AMPK 通路；Arg 如何促進并穩定NOS 各種亞型，抑制超氧化物產生，緩解氧化應激；Arg 在不同腸段中的晝夜節律是否有不同作用，還有諸多問題尚未明確，仍需進一步探究。