硒与叶酸在抗病毒治疗中的作用及其在植物中的应用前景分析

孙卉,张春义,姜凌

中国农业科学院生物技术研究所, 北京 100081

病毒是一种非细胞生命形态，它由一个核酸长链(DNA或RNA)和蛋白质外壳构成，必须寄生在活的寄主细胞内进行增殖、转录和转译，然后按它自身核酸所包含的遗传信息复制产生后代病毒，并进一步感染其他细胞。病毒危害人类健康，造成国民经济重大损失[1]。引起各类传染病的病毒很多，例如：艾滋病病毒、丙型肝炎病毒、流感病毒、柯萨奇病毒(克山病)、寨卡病毒、SARS(severe acute respiratory syndrome)冠状病毒、中东呼吸综合征冠状病毒、新型冠状病毒(coronavirus disease 2019，COVID-19)等[2-5]。

2020年初，COVID-19疫情在全球范围迅速扩散，感染病例呈指数级增长，是近百年来人类遭遇的影响范围最广的全球性大流行病。目前国际病毒分类委员会将新型冠状病毒命名为“SARS-CoV-2”(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2)，并认定这种病毒是SARS冠状病毒的姊妹病毒。该病毒引起的肺炎症状一般为发热、乏力、干咳，并出现呼吸困难，严重者表现为急性呼吸窘迫综合征、脓毒症休克、代谢性酸中毒和凝血功能障碍。COVID-19病毒传染性强，且潜伏期也具有传染性，目前没有特异的治疗方法[5]。在此次抗病毒治疗中，我国研究发现，COVID-19的报告治愈率与人群硒状态(以发硒含量表征)之间显著正相关，其中以高硒摄入量闻名的湖北省恩施市(男性发硒3.13±1.91 mg·kg-1，女性发硒2.21±1.14 mg·kg-1)的治愈率为36.4%，显著高于湖北省其他城市的治愈率(13.1%)[6]；德国的研究发现患者的硒缺乏与COVID-19的高死亡风险密切相关[7]；以色列研究者发现重症COVID-19患者血液中的叶酸含量只有正常人的三分之二[8]；叶酸是COVID-19的主要蛋白酶的抑制剂，高剂量的叶酸摄入有助于抑制病毒的活性[9]。这些情况说明微量营养素硒和叶酸在抗病毒治疗中发挥一定的作用，提高人体内硒和叶酸含量的膳食方案，可以有效地增加人体免疫能力来应对病毒性疾病的侵袭。目前，硒和叶酸是如何用于抗病毒等疾病的治疗及如何协同提高硒和叶酸含量的植物营养强化工作都鲜见报导，因此本文综述了硒和叶酸这两种微量营养素在抗病毒治疗中的机制、在其他疾病治疗中的作用以及硒和叶酸的植物性营养强化膳食补充治疗的应用前景，以期为提升营养品质、创制富含硒和叶酸的作物蔬果提供理论支撑。

1 硒和叶酸的生物学功能

硒是一种非金属元素，是人和动物生长发育必需的微量营养元素，在生殖、甲状腺激素代谢、DNA合成以及防止氧化损伤和感染方面发挥着重要作用，也是植物生长的有益元素[10-11]。自然界中存在无机硒(硒酸盐、亚硒酸盐、单质硒、甲基硒)和有机硒(硒代甲硫氨酸、硒代半胱氨酸、甲基硒代半胱氨酸、硒多糖、硒核酸)两种主要形式。缺硒地区容易发生克山病和大骨节病，全世界大约有10～15亿人由于硒缺乏，导致心血管疾病、甲状腺功能减退、男性不育和癌症等疾患。适量补充硒有益健康，但过量的硒可引起硒中毒，主要表现为头发变干变脆、皮肤损伤及神经系统异常等[10]。

已有报道的生物体硒代谢途径中，硒代半胱氨酸转化为甲基硒代半胱氨酸的过程中需要甲基的供体(S-腺苷甲硫氨酸)作为辅酶(图1A)[12]。此步反应的甲基供体由一碳代谢中的叶酸提供，5甲基四氢叶酸可以将同型半胱氨酸转化成甲硫氨酸，再进一步转化为S-腺苷甲硫氨酸，进而参与蛋白质、DNA及各类化合物的甲基化过程(图1B和图1C)[13]。

叶酸是动植物生长发育所必需的一类水溶性B族维生素[13-14]。人体自身不能合成叶酸，如果孕妇在孕期未能摄入足量叶酸，胎儿的核酸合成和DNA、蛋白质、脂质和磷脂的甲基化也会受阻，叶酸严重缺乏将导致新生儿的发育迟缓及神经管发育缺陷。叶酸缺乏也会直接导致巨幼红细胞性贫血和高同型半胱氨酸原发性高血压，并会增加结肠癌、心血管疾病、老年痴呆症、冠状动脉硬化等多种疾病的患病风险[14]。

A：硒代谢；B：甲基代谢；C：叶酸代谢。ATP—三磷酸腺苷；SeCys—硒代半胱氨酸；SAM—S-腺苷甲硫氨酸；SAH—S-腺苷高半胱氨酸。图1 生物体中硒和叶酸的代谢Fig.1 Metabolism of selenium and folate in organism

叶酸和硒等微量营养素缺乏会降低人体免疫力，促进病毒感染的进程。病毒感染又反过来加重微量营养素缺乏，形成恶性循环[7-8]。

2 硒和叶酸在抗病毒治疗中的作用机制

2.1 人体的抗病毒反应

人体抗病毒反应是机体对病毒逐渐产生免疫的过程,机体对抗病毒的反应机理基本一致。通过疫苗和改善人体健康状况可以增加免疫力，是应对病毒性疾病侵袭的有效途径[15]。病毒攻击的第一道防线是物理屏障(如皮肤和所有粘液膜)，这属于先天性反应。第二道防线是固有免疫反应。如果病毒突破人体的第一道防线进入了机体，固有反应被激活。这个过程中自然杀伤细胞是这道防线的重要成员，它是淋巴细胞中除T细胞、B细胞外的另一类细胞，可以发现并杀死异常的细胞。被病毒感染的宿主细胞属不正常细胞，因此亦在自然杀伤细胞攻击范围之内，此时机体产生炎症反应。第三道防线，其过程相对缓慢，包括特异性体液免疫和细胞免疫。特异性抗体与病毒结合后，病毒就不能与易感染细胞表面的相应受体结合而进入细胞。对已进入易感染细胞的细胞内病毒，抗体无法进入，需要细胞免疫中的白细胞分化抗原，表达分化抗原的T细胞可以分化为细胞毒性T细胞，能够特异性地杀伤靶细胞，最终消灭病毒[16]。过程中有两种T细胞：辅助型T细胞1(T helper 1 cell，TH1)主要为对抗细胞内细菌及病毒的免疫反应服务，其主要为白细胞介素12(interleukin 12，IL-12)所驱动诱发，主要的执行细胞因子是干扰素-γ。TH1免疫反应对应的是第四型自体免疫疾病，过高的TH1激活将会导致巨噬细胞自体免疫疾病，例如麻风病。辅助型T细胞2(T helper 2 cell，TH2)是一种能够分泌TH2型细胞因子(如白细胞介素IL-4、IL-5、IL-10和IL-13等)的T细胞亚群，可以抑制TH1细胞增殖，同时辅助B细胞活化，发挥体液免疫的作用[15]。

2.2 硒在抗病毒治疗中的作用机制

微量营养元素(包括多种维生素和微量矿物质)在机体免疫功能的发挥中起重要作用，微量营养素的缺乏或失衡状态会对免疫功能产生负面影响，并降低人体对各类感染的抵抗力[17]。来自动物模型和人群流行病学的研究数据表明，缺乏硒可导致某些病毒的毒性增加和机体对病毒的易感性增加。例如：克山病是1935年在中国克山县爆发的一种地方性心肌病，该地区人体硒营养极度缺乏，导致其对柯萨奇病毒的良性或弱毒性菌株的敏感度增加，易被感染[18]。硒缺乏也是重症急性呼吸综合征发病的因素之一，如COVID-19、SARS等[5]。研究者还发现，慢性丙型肝炎病毒感染会导致锌、硒、维生素A和B12等微量营养素的缺乏，这些微量营养素会影响机体的抗氧化和免疫系统对丙型肝炎病毒的应激反应[3]。

在艾滋病毒、流感病毒、丙型肝炎病毒、脊髓灰质炎病毒和西尼罗病毒的治疗中，提供充足或高硒营养的膳食补充可以缓解患者的多种症状[19]。其中，高活性抗逆转录病毒治疗(highly active antiretroviral therapy,HAART)又叫鸡尾酒疗法，指通过3种或3种以上的抗病毒药物和硒等微量营养素联合使用来治疗艾滋病。该疗法的应用可以减少单一用药产生的抗药性，最大限度地抑制病毒的复制，甚至能够全部恢复被破坏的机体免疫功能，从而延缓病程进展，延长患者生命和提高生活质量。研究表明与安慰剂组相比，一起服用硒和多种维生素(包括叶酸)能使患艾滋病并发症的风险降低，还能降低艾滋病患者的死亡率[20]。

在免疫系统中，硒能刺激辅助型T细胞、细胞毒性T细胞和自然杀伤细胞中的抗体形成和活性。硒参与机体抗病毒反应的免疫机制有三类[15]。第一类，硒能够影响艾滋病毒的突变率，硒缺乏会增加病毒的突变率而导致病毒RNA的多重变化。以硒为辅酶的硫氧还蛋白还原酶(thioredoxin reductase 1，TrxR1)已被鉴定为艾滋病病毒编码、病毒复制所必需的蛋白负调控因子，高硒膳食使得宿主体内的TrxR1大量富集，可以导致病毒由于不能复制而减少了致病性[21]。第二类，在固有免疫反应中，机体的硒状态主要依赖细胞中具有抗氧化特性的硒代半胱氨酸的含量。硒代半胱氨酸是硒氧化酶的催化中心。例如谷胱甘肽过氧化酶(glutathione peroxidase，GPX)就是一种硒氧化酶，可以通过中和代谢产生的活性氧(reactive oxygen species，ROS，如H2O2、O2-、HO·等)调节生物氧化稳态，还可以增加干扰素-γ的生成[22]。以流感病毒为例，它侵入后，宿主细胞线粒体和吞噬细胞氧化爆发中ROS生成增加，并发出启动宿主细胞/生物分子免疫反应的信号，T细胞中的TrxR1和GPX生物合成迅速上升，减少ROS产生，以破坏和清除体内的病毒[23]。而硒缺乏会导致T细胞向能杀伤病毒的细胞毒性T细胞分化，限制或延迟了宿主的免疫反应，还会影响人气道上皮细胞的形态和宿主对病毒的防御反应。另一方面，在硒充足的条件下优化GPX的表达活性可以保护受感染的细胞和组织免受病毒诱导的氧化损伤和细胞死亡[19，24]。补硒可以增强和加速细胞抗病毒免疫反应，但不会改变TH1/TH2平衡，也不会影响体液反应[25]。最新研究认为TrxR1为核糖还原为脱氧核糖合成所必需；低硒导致核糖积累，宿主DNA合成受阻，无法包装形成新的病毒颗粒[26]。第三类，在适应性免疫反应中，硒可以维持抗体的水平、T细胞的繁殖和分化，还可以增加辅助型T细胞数量，并诱导位于内质网中硒蛋白K(selenium protein K，SelK)的高表达，在免疫细胞激活过程调控钙离子的平衡[15，27]。

图2 硒在抗病毒治疗中的机制Fig.2 Mechanism of selenium in treatment of antiviral

2.3 叶酸在抗病毒治疗中的作用机制

充足的叶酸摄入对于确保身体屏障和免疫细胞的正常功能是必不可少的。在艾滋病患者中发现同型半胱氨酸和叶酸的水平都比正常人低，与HIV感染率有关[28]。叶酸也是HAART疗法中不可缺少的一种组分[20]。但叶酸在参与抗病毒治疗中的作用机制不同于硒。在第一道物理屏障防线中，叶酸参与维持肠道粘膜细胞的结构和功能完整性，对小肠调节性T细胞和人类肠道微生物的生存至关重要[29]；在第二道防线固有免疫反应中，叶酸参与维持或增强自然杀伤细胞的细胞毒活性[30]；在第三道防线适应性免疫反应中，叶酸参与TH1介导的免疫应答，同时还对抗体的产生非常重要[29]。因此叶酸的缺乏会导致自然杀伤细胞毒性活性降低，T细胞和细胞毒性T细胞的增殖受到抑制，胸苷和嘌呤合成受损并进一步影响DNA和RNA合成，免疫球蛋白分泌减少，抗体反应降低(图3A)[15]。

叶酸不仅通过机体的免疫反应参加抗病毒治疗，还可通过抑制感染细胞的叶酸合成代谢来杀死病毒感染后的细胞。在病毒引起的风湿综合症的治疗过程中，叶酸结构类似物甲氨蝶呤(methotrexate，MTX)被广泛应用[31]。在治疗寨卡病毒的药物筛查中发现MTX也是治疗寨卡病毒的有效药物[2]。寨卡病毒诱发神经系统疾病，主要体现为婴儿小头症和格林-巴利综合征，这是一种蚊虫传播的疾病[32]。MTX对二氢叶酸还原酶具有抑制作用，可以用于治疗寨卡病毒引起的症状(图3B)。一定治疗条件下MTX可以使病毒的浓度下降10倍，抑制病毒复制。在病毒感染的细胞中，MTX在聚谷氨酸合成酶的作用下转化为多聚谷氨酸尾的形式，然后和有活性的叶酸形成竞争性的抑制关系，从而抑制二氢叶酸还原酶、胸苷酸合成酶、亚甲基四氢叶酸还原酶等叶酸代谢酶的活性，影响嘌呤和嘧啶的合成，进一步导致被感染细胞的死亡[2]。

A：叶酸参与的人体免疫反应；B：叶酸代谢中，甲氨蝶呤是二氢叶酸合成酶的抑制剂图3 叶酸在抗病毒治疗中的作用Fig.3 Mechanism of folate in treatment of antiviral

3 硒和叶酸在植物营养强化中的应用前景

上述研究表明，在体内平衡的有机硒和叶酸的含量对人体和动物都至关重要，因此提高植物中叶酸和有机硒的含量，继而通过膳食有效地保障人体对硒和叶酸的摄入，是植物营养强化的主要任务之一。我国卫生部2017年发布的最新《中国居民膳食营养素参考摄入量》指出，我国成年人推荐每日硒的成人推荐摄入量为60 μg·d-1，最高每天可摄入400 μg的硒元素。叶酸的最高摄入量也为400 μg·d-1[33]。作物中一般有机硒含量在8～20 μg·100 g-1之间[11]，叶酸在20～80 μg·100 g-1之间[34]，科学家们基于对植物硒和叶酸代谢途径了解的不断深入，能够设计不同的策略来有效提高植物中的有机硒和叶酸的含量。

植物是人体硒的直接来源之一，硒酸盐是大多数土壤中硒的主要生物有效形式，可被植物的根吸收。硒在根中积累并转移到茎中，硒的同化通常发生在叶片中，在ATP-磺酰化酶(ATP sulfurylase，APS)、硒代半胱氨酸(SeCys)-甲基转移酶(SeCys methyltransferase，SMT)和胱硫醚γ合酶(cystathionine gamma synthase，CgS)催化的一系列反应中，硒酸盐被还原为亚硒酸盐，然后被同化为SeCys和硒代甲硫氨酸(SeMet)。为了避免这些硒代氨基酸非特异性地结合到蛋白质中，SeCys和SeMet可被甲基化以产生无毒的非蛋白质氨基酸：甲基硒代半胱氨酸(methyl SeCys，MetSeCys)和甲基硒代蛋氨酸(methyl SeMet，MetSeMet)。SeCys可以分解成丙氨酸和元素硒。APS在无机硒向亚硒酸盐转化过程中起限速作用，CgS在硒从SeCys向SeMet的挥发过程中起限速作用，SMT在硒的超积累和耐受过程中起限速作用，均是硒营养强化在植物中的目标酶(图1)[35]。低硒土壤中种植的植物(<0.55 mg·kg-1)不能为人体健康积累足够数量的微量营养素[36]。而我国三分之二地区属缺硒地区，未经过植物营养强化获得的粮食和蔬菜等食物含硒量较低[37]。硒参与了植物抵抗多种生物和非生物胁迫，例如可以改善光合特性、延缓叶片和果实衰老、增加植株产量、减少由重金属、寒冷或干旱水分胁迫引起的氧化应激反应[38-39]。目前硒的植物营养强化有两大类方法：一类是通过转基因技术获得富含硒的植物，另一类是通过在环境中添加无机硒或硒肥，促进植物中有机硒的形成。第一类方法在印度芥菜中将SMT、APS、CgS和谷胱甘肽合成酶GS的过度表达导致硒酸盐的硒积累增加了2～9倍[40-42]。在番茄中，SMT的过度表达导致MetSeCys在果实中而不是在叶片中积累，果实中总硒的16%以MetSeCys的形式存在[43]。第二类方法的应用已非常广泛，如富硒的番茄、玉米、水稻和生菜等作物蔬果的种植[44-47]。目前的研究结果表明，硒可促进叶片酚类化合物和谷胱甘肽的合成，降低根中钼、铁、锰、铜的含量[45]。叶面施的硒主要积累在胚乳中，对水稻籽粒平均产量没有影响，对叶绿素指数、钾、钙和锰元素含量也没有明显影响，高浓度的硒导致籽粒中硫元素含量下降[45-46]。上述结果说明硒的营养强化有利于植物的生长发育。

叶酸的合成直接为一碳代谢提供甲基供体，间接参与硒的合成。叶酸代谢受到抑制时，植物的甲基代谢流也明显受到影响[48]。叶酸代谢干扰后的含硒化合物的变化动态尚无报道。目前在植物中，比较有效的叶酸营养强化策略是同时引入叶酸生物合成基因三磷酸鸟苷环化水解酶Ⅰ和分支酸合成酶，在此基础上，又引入线粒体叶酸合成途径中的下游基因焦磷酸激酶/二氢蝶呤合酶或叶酰谷氨酸合成酶，能使水稻籽粒中叶酸含量最高增加150倍、马铃薯块茎中叶酸含量最高增加12倍(图1C)[49-50]。此外植物可以直接吸收体外苯丙氨酸和叶酸等物质使体内的叶酸含量提高。在水培菠菜中通过添加苯丙氨酸可以增加对氨基苯甲酸和蝶呤的水平，最终使菠菜中叶酸含量增加两倍以上[51]；在水稻幼苗根部施加5甲酰四氢叶酸能够显著促进幼苗在低氮条件下的生长发育，株高、鲜重、叶绿素含量均有提高，叶酸衍生物含量、可溶性蛋白含量、游离氨基酸含量也显著提高[52]。

硒和叶酸在植物中的协同营养强化可以通过转基因过表达和外源添加两种途径，这为同时提高植物中硒和叶酸含量提供了可能性，具体实施的策略值得进一步研究探讨。

4 展望

硒和叶酸是维持免疫系统应答的关键微量营养元素，使用硒或叶酸补充剂治疗病毒病可能源于它预防病毒感染的潜力和增强人体免疫能力[19-20]。从已知的抗病毒治疗中对人体营养状况和植物营养强化的研究中，已经明确多种营养素在抗病毒治疗中的机制有所不同。如何将各类与抗病毒治疗相关的微量营养素有效地协同在同一种植物中进行营养强化是亟待解决的科学问题。人类疾病的治疗中已经尝试使用硒纳米颗粒(selenium nanoparticles，SeNPs)介导叶酸靶向mRNA进入肿瘤细胞，来调控细胞内的硒和叶酸代谢，进而参与免疫治疗[53]。目前硒肥在我国已有应用[54]，如果在此基础上研发富含叶酸的硒肥料，则有望实现硒和叶酸在植物中的同时强化，富含叶酸的硒肥料也能减少氮肥的施用，还可以通过遗传育种等手段培育营养强化硒和叶酸作物蔬果新品种。

2019新冠肺炎疫情，让我们意识到面对包括COVID-19在内的威胁人类的病毒性疾病时，需要一种新颖的、富有创造性的、有效的综合治疗方法和膳食方案，来增加人们应对流行病和其他突发事件冲击的营养抗逆能力。我国目前尚未开展硒和叶酸复合营养素的营养强化工作。未来可以通过国内外协同合作，从膳食需求和营养角度推动我国作物蔬果复合营养素的强化育种工作，为大众提供优化“量”与“质”俱佳的作物蔬果品种和产品，从供给侧入手，在开展育种技术提升、重大自主品种培育、高效精准栽培、绿色丰产关键技术集成四大科技行动的同时，提升作物蔬果复合营养素的品质，开发高营养附加值的作物蔬果种质资源，增加其经济效益、社会效益、生态效益和营养健康效益。