耐辐射奇球菌中类胡萝卜素的研究进展

蒋佳宁 韩万春 许鹏

【摘 要】核电厂从事辐射相关工作的人员，在工作中会受到低剂量的照射。α粒子和β电子衰变过程中会在机体内发生电离效应，伴随着产生自由基，这些自由基会攻击细胞。攻击产生的受损细胞在代谢作用下使损伤“扩大”，最终表现出可观察到的生物损伤。开发一种能够减小内照射效应的保健食品显得十分重要。近年来科研人员对耐辐射奇球菌中类胡萝卜素——deinoxanthin进行了大量研究，研究结果表明耐辐射奇球菌中的类胡萝卜素具有清除活性氧自由基的功能，且耐辐射奇球菌中类胡萝卜素无毒无害，在长寿人群体内的宏基因组测序中也发现了该菌的存在，其作为保健食品开发存在可行性。

【关键词】耐辐射奇球菌；类胡萝卜素；核电厂；保健食品

中图分类号： Q93 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）16-0212-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.098

【Abstract】The personnel engage in radiation related work will be affected by low dose irradiation in nuclear power plant.Alpha and beta particles in the process of the electron decay that the ionization effect would occur in the body， accompanied by produce free radicals， they can attack the cells. The damaged cells under the effect of metabolic make damage "expand"， finally show the biological damage that can be observed. So to develop a can reduce the radiation effect of health food is very important. In recent years， lots of work on carotenoids——deinoxanthin from Deinococcus radiodurans by the researchers. The research results show that the carotenoids from Deinococcus radiodurans have the function to scavenge the free radicals and it has non-toxic and harmless. In the longevity personnel is also found Deinococcus radiodurans by the macro genome sequencing. So the deinoxanthin as health foods from Deinococcus radiodurans is feasible.

【Key words】Deinococcus radiodurans；Carotenoids；Nuclear power plant；Health foods

美国三里岛、切尔诺贝利、日本福岛核事故对核工业发展以及人们的生活产生了巨大的影响。这些核事故使人们逐渐明白了辐射防护研究的重要性[1-3]。这些事件要求从事辐射防护研究的研究人員，不但要在人员操作的机器设备上更加人工智能，而且也要对操作人员的防护更加到位。对辐射工作人员的保健食品的开发目前还比较有限[4]。在核电厂从事辐射相关工作的人员（特别是大修期间的运行和维修人员），在工作中难免会受到低剂量的照射。开发一种能够减小内照射效应的保健食品显得很急切。近年来对耐辐射奇球菌中类胡萝卜素——deinoxanthin进行了大量研究，研究结果表明其在保健食品开发中可行性[5-6]。

1 电离辐射对机体作用

1.1 原发作用

原发作用相对比较简单，就是指射线直接用于机体，在细胞内进行能量的吸收、传递与转化，这些过程中伴随着生物大分子和细胞微结构的损伤和破坏。此过程包括三个阶段：物理阶段、化学阶段、物理化学阶段[7]。

1.2 继发作用

继发作用是在原发作用的基础上，发生在机体内的脱氧核苷酸（DNA）、核苷酸（RNA）、蛋白质以及脂类等大分子的损伤。例如，DNA分子发生单链断裂（single strand break， SSB）与双链断裂（double strand break， DSB）等[8]；RNA分子发生水解，导致其翻译功能的丧失；蛋白质发生变性，导致活性丧失。在能量的吸收和传递过程中，生物大分子被激发和电离，自由基连锁反应由此产生。

1.3 直接作用

直接作用是指机体受射线照射后，机体直接能够吸收并沉积射线能量，这些能量直接在生物大分子上，使其发生电离和激发或者化学键的断裂，导致生物大分子的正常活性功能的丧失。直接作用包括3个步骤：能量的吸收、传递和形成稳定分子。

射线的能量传递有一定的趋向性和能量沉积的不均匀的现象，造成生物大分子的损伤往往都是在较弱的化学键上。它们处于不稳定状态，很容易受到射线类型、照射剂量、靶核的状态、水分和氧等因素的影响。自由基在直接作用过程中占有重要地位。

1.4 间接作用

间接作用是指辐射作用于细胞内的溶剂分子上形成具有活性的物质，这些活性物质由于要回到稳定状态，再作用于溶质分子使其发生破坏。在人体中，水占70%左右。在电离辐射过程中，辐射能量直接作用于水分子上，引起水的分解与活化，产生多种、多样的高活性的、高毒性的自由基和过氧化物，这些自由基不稳定，且化学性质活泼极易与周围的生物大分子的弱化学键作用，造成生物大分子活性丧失。电离辐射产生的约80%DNA损伤是由于水解产生的活性氧自由基攻击DNA造成的[9]。

2 耐辐射奇球菌的相关研究

耐辐射奇球菌最早是由美国科学家Anderson于1956年在经过高剂量电离辐射灭菌的肉罐头中发现。它是一种红色的非致病细菌，最佳生长温度为30℃，研究发现当低于4℃或者高于42℃时，耐辐射奇球菌会停止生长[10]。在稳定生长期时，耐辐射奇球菌生长比较稳定，每个细胞中包含4套相似基因组，这样在发生DNA修复的时候可以提供可靠的模板，而处于对数生长期的细胞生长旺盛，每个细胞中含有8-10套基因组。研究表明人的急性照射半致死剂量只有3-5Gy，而耐辐射奇球菌在急性照射15kGy条件下仍然可以生存，其辐射抗性是人的3000倍。耐辐射奇球菌在受到剂量率为60Gy/h的剂量时，仍然可以正常生长，显示出耐辐射奇球菌在面对电离辐射时超强的抗性。除电离辐射抗性以外，其在1000J/m2紫外辐照条件下任然可以存活，显示出超强的紫外辐射抗性。同时，耐辐射奇球菌对化学诱变剂丝裂霉素C也表现出较强的抗性。耐辐射奇球菌可以在干燥器内存活六年且保持10%存活率。由于其具有超强的电离辐射抗性，紫外抗性，化学诱变剂抗性及干燥抗性，耐辐射奇球菌被作为模式生物用于抗性机制研究。相应的研究结果也被逐渐用于辐射环境污染修复、农业和军事辐射防护等相关领域[11-12]。

3 耐辐射奇球菌中类胡萝卜素

Lemee实验室在1997年报道了耐辐射奇球菌体内的类胡萝卜素——deinoxanthin，其化学结构如图1所示[13-14]。目前为止，此种结构的类胡萝卜素只存在于耐辐射奇球菌中，其含有13个共轭双键，在C2和C1处各含有一个羟基。研究表明位于C1及C1位点处的共轭双键和羟基基团对自由基的清除贡献重大。通过鲁米诺化学发光对deinoxanthin、番茄红素、β-胡萝卜素、叶黄素等色素清除H2O2自由基及单线态氧1O2的能力进行综合比较，发现deinoxanthin具有较高的清除活性氧自由基的能力，且清除效率与其浓度成正比[15-17]。同时表明deinoxanthin在抗氧化作用中起到了重要作用。

Deinoxanthin作为耐辐射奇球菌中主要的色素产物，对其生物合成途径的研究有利于明白类胡萝卜素在耐辐射奇球菌抗性机制中的地位，为进一步阐明耐辐射奇球菌的极端抗性机理提供依据，为构建工程菌产生deinoxanthin提供理论依据[18-21]。

4 耐辐射奇球菌中类胡萝卜素对辐射工作人员的防护作用

一方面，电离辐射过程产生的大约80%DNA损伤是由于水解产生的活性氧自由基攻击DNA所造成的，机体内负责清理活性氧自由基的抗氧化系统对耐辐射奇球菌的辐射抗性有着重要的贡献[22-23]。类胡萝卜素作为抗氧化系统非酶类的一种，能有效的清除单线态氧（1O2）等活性氧自由基物质[24]。而作为耐辐射奇球菌类胡萝卜素主要成分的deinoxanthin对生物大分子氧化损伤的抑制作用随浓度的升高而增强[25-26]。

另一方面，辐射的生物效应当中的随机性效应显示，辐射可能造成躯体细胞不断复制，最终导致癌症的发生。对耐辐射奇球菌类胡萝卜素进行分离提纯，以小牛血清（fetal bovine serum，FBS）做溶剂，避免了四氢呋喃的毒性，且能够保证deinoxanthin的稳定性与可溶性，能够保证癌细胞对其的吸收量。当deinoxanthin浓度大于1μmol/L时，显示出对人卵巢癌细胞的抑制作用[27]。

内照射、外照射及混合照射在人體内主要产生大量的活性氧自由基，给辐射工作人员及时服用特定浓度的deinoxanthin和涂抹含有特定浓度的deinoxanthin可以及时清除活性氧自由基保证工作人员的身体健康。

5 总结与展望

随核电产业的快速发展，对于一线的运行和检修人员的身体保健也越来越受到重视。类胡萝卜素对于清除内照射、外照射以及混合照射产生的自由基具有高效清除率。对耐辐射奇球菌中类胡萝卜素保健品的开发可以弥补国内辐射保健物品的短板。而且类胡萝卜素对白内障、心血管疾病，机体衰老都有作用，特别是提高人体免疫力方面，也有很大的应用价值。但是由于药品的开发流程很漫长，踏上临床还有很长的一段路要走。

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