GPX2 对肠道炎症通路的作用机制及营养调控的研究进展

杨璐璐，黎力之，关玮琨，廖晓鹏，张海波*，郭冬生*

（1.宜春学院生命科学与资源环境学院，江西省高等学校硒农业工程技术研究中心，宜春市功能农业与生态环境重点实验室，江西宜春 336000；2.宜春学院继续教育学院，江西宜春 336000）

谷胱甘肽过氧化物酶2（Glutathione Peroxidase 2，GPX2）属于GPX 家族中一种多聚体硒蛋白，活性中心为硒代半胱氨酸（SeCys）残基，其具有保护肠道细胞免受氧化损伤、发挥抗凋亡等作用[1]。核因子-кB（Nuclear Factor-kappa B，NF-кB）与活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）是肠道炎症通路中关键参与者，GPX2 对两者均有调节作用。一方面，GPX2 介入上游核因子-кB 抑制蛋白激酶（Inhibitor of Kappa B Kinase，IKK）活性调节通路，对IKK 复合物及其磷酸化过程产生抑制作用，影响NF-кB 的激活和释放，间接抑制其下游炎性基因环氧合酶（Cyclooxygenase，COX）、脂氧合酶（Lipoxygenase，LOX）和肿瘤坏死因子（Tumor Necrosis Factor，TNF）等表达，防治肠道炎症[2]。另一方面，GPX2 可消除双氧化酶2（Dual Oxidase2，DUOX2）产生过氧化氢（Hydrogen Peroxide，H2O2）对机体的危害作用，还可抑制Wnt 信号、脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）、TNF 等细胞因子表达，阻碍NADPH 氧化酶1（NADPH Oxidase 1，NOX1）介导产生ROS，进而阻止过量ROS 引起的内质网应激及肠道屏障损伤，维持肠上皮细胞正常形态，发挥肠道正常功能[3-4]。研究表明，缺GPX2 小鼠易发生回肠结肠炎，且在结肠炎小鼠肠道中发现GPX2 活性及基因水平显著降低，补充GPX2 可缓解小鼠肠道病症[5]。因此，本文重点综述GPX2 参与肠道炎症相关通路的调节作用，以期为预防动物肠道炎症提供理论依据。

1 GPX2 简介

1.1 GPX2 结构 哺乳动物体内GPX 中的GPX1、GPX2、GPX3、GPX4、GPX6 属于硒蛋白[6]，催化活性位点皆含SeCys 残基，是硒在动物体内的主要存在形式[7]。GPX 与氢过氧化物接触过程中，谷氨酰胺的酰胺基及色氨酸的亚氨基可加固SeCys 的硒氢基，形成催化三联体结构，增强其对氢过氧化物的攻击性[8]。GPX2 在肠道上皮隐窝-绒毛轴基底部浓度最高，因此也被命名为GI-GPx 或GPx-GI，其结构层次居GPX 家族第一位，属于一种较独立的四聚体[9]。在GPX2 中，寡聚变异体结构将2 个扁平伸长、无规则的结构包围起来，其1 条侧链伸入另一单体中央空腔中，将2 个单体亚基相连，通过α-螺旋与另外2 个单体结合形成四聚体结构，同时功能螺旋中2 条链间盐桥强制固定GPX2 的单体形成同源四聚体结构，特异性催化底物与GPX2 活性中心进行氧化还原反应[8]。GPX2 结构如图1 所示。

图1 GPX2 结构[8]

1.2 GPX2 生物学功能 GPX2 可催化H2O2、叔丁基氢过氧化物、亚油酸过氧化氢等，具有强抗氧化能力[8]。Barrera 等[10]用异硫氰酸盐与硒共同处理小肠上皮吸收性肠细胞，发现GPX2 抗氧化能力增强，抑制了因H2O2诱导的细胞凋亡。研究表明，对UVC 辐照小鼠给予虾青素治疗，其GPX2基因表达水平及抗氧化能力显著增强，缓解氧化应激[11]。GPX2 还可防止肠上皮细胞氧化受损，对肠道炎症造成的动物肠黏膜萎缩、腹泻和食欲不振等有积极治疗作用[12]。GPX1和GPX2双基因敲除小鼠其结肠黏膜严重受损，易发生结肠炎，补充GPX1 对缓解炎症无任何效果，而在补充GPX2 后炎症病程有所缓解，表明GPX2 在治疗肠炎中具有重要功能[13]。Shi 等[14]在治疗由硫酸葡聚糖硫酸钠引起的大鼠结肠炎中发现，提高结肠中GPX2 活性可以抑制白介素（IL）-1α、IL-6 等促炎因子分泌，维护结肠黏膜正常免疫功能。同时，GPX2 可抵抗因过敏原诱发的气道炎症；牛乳中GPX2 可降低乳腺上皮细胞受氧化损伤所引起的牛乳腺炎发病几率[15-16]。此外，GPX2 还具有维护动物正常繁殖性能、抵御肿瘤等生物学功能[17-18]。

2 GPX2 对动物肠道炎症通路的影响

GPX2 主要借助2 条途径预防肠道炎症发生：其一，通过降低IKK 复合物活性及扰乱其磷酸化过程，干预NF-кB 的合成释放，进而影响其下游炎症通路；其二，通过减少NOX1 及DUOX2 表达，阻止ROS 过量产生，避免上皮细胞凋亡[19-20]。

2.1 GPX2 介导NF-кB 信号转导通路调节动物肠道炎症 NF-кB 作为炎症等疾病发生的重要标志物，参与炎症反应、免疫调节和肿瘤调控等生理进程，其活化与释放均与IKK 复合物密切相关[19]。IKK 复合物是由IKK1 与IKK2 的催化亚基及NF-κB 必需调节蛋白/IKK调节蛋白共同组成[19]。研究发现，在NF-кB 的上游通路中，GPX2基因表达后可抑制IKK 复合物激活，间接阻止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 也可通过抑制炎症脂质介质COX、LOX和诱导型一氧化氮合酶（Inducible Nitric Oxide Synthase，iNOS）等基因表达，缓解肠道炎症[21]。促炎介质COX、LOX和iNOS等作为NF-кB信号通路中的炎性基因，可导致免疫失调、组织损伤及炎症反应等发生[19]。COX2 过表达可刺激具有促炎效应的下游生物活性物前列腺素E2（Prostaglandin E2，PGE2）产生，引发机体炎症、疼痛和发热等[22]。同样，LOX 可催化膜脂过氧化作用，加快细胞膜流动性，破坏肠上皮屏障；iNOS 则诱导一氧化氮（Nitric Oxide，NO）产生，造成组织损伤引发炎症[23-25]。综上所述，在NF-кB 诱导的炎症通路中，一方面，GPX2 可通过降低IKK 复合物活性，阻断NF-кB 的上游通路；另一方面，在下游通路中，GPX2 抑制炎性介质基因COX、LOX和iNOS等表达，防止促炎因子PGE2、过氧化物和NO对肠道的破坏（图2）。由此可见，GPX2 在保护肠道免受炎性有害物质入侵、维护肠上皮完整性、保障动物机体正常生理功能中具有重要作用。

2.2 GPX2 介导ROS 相关通路调节动物肠道炎症 肠上皮细胞属于肠道屏障重要组成结构，ROS 是细胞中较活跃的一类含氧活性物质，可维持细胞正常生长，而过量的ROS 则会诱发DNA 突变、蛋白质变性和组织损伤等氧化应激反应[25]。ROS 一是通过核黄素激酶（Riboflavin Kinase，RFK）介导的肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体受体和NOX1 相结合途径生成；另外，通过DUOX2 诱导也可以生成ROS。NOX1 复合物主要产生超氧化物，而DUOX2 主要产生H2O2[20,26]。

图2 GPX2 介导NF-кB 信号转导通路调节动物肠道炎症

NOX1 途径在结肠上皮高度表达，是动物体内ROS 重要来源之一[20]。研究发现，TNF 促使NOX1基因表达，一方面，TNF 激活TNF 受体1（Tumor Necrosis Factor Receptors1，TNFR1）后，在RFK 的共同作用下，将TNFR1 死亡域结构与NOX1 中p22 phox 亚基连接，进而促使NOX1基因表达；另一方面，TNF 可结合Ras 相关的C3 肉毒素底物1（Ras-related C3 Botulinum Toxin Substrate 1，Rac1）构成复合物，提高NOX1 活性[20]。小鼠肠道缺乏GPX2，NOX1表达量显著升高，造成早发性回肠结肠炎[20]。轩青霞等[27]在慢性结肠炎动物模型中发现，肠道病变组织中NOX1基因表达显著高于对照组。由此推测，GPX2 可能通过TNF 的2 种途径（TNFR1 和TNF-Rac1 复合物）抑制NOX1基因表达，但具体途径还需要更多试验证实。另外，在TNF、γ干扰素（IFN-γ）和LPS 等刺激下，NOX1高表达，激活下游PI3K/AKT、Wnt/β-catenin 和Notch1 信号[28]。在此过程中，一是可以调控连环蛋白靶点（如细胞周期D1），加速细胞增殖活化及增加前体隐窝细胞数量；二是可以激活Notch1 通路的下游转录靶点，加速肠黏膜前体细胞向肠上皮成熟细胞分化进程，使隐窝细胞持续增殖，破坏肠上皮稳态，引发肠道炎症[28]。Li 等[29]研究发现GPX2 沉默时，β-catenin及Wnt2 水平下降，上皮间质细胞转化过程被抑制，延缓肠上皮损伤。ROS 另一重要来源是DUOX2 途径，DUOX2 主要定植于结肠上皮细胞内质网中，由二元氧化酶成熟因子2 激活，直接产生H2O2[30]。H2O2过量会进一步诱发内质网应激，激活其下游肌醇需求酶1（Inositol-requiring Enzyme-1，Ire1）、蛋白激酶R 样内质网激酶（Protein Kinase R-like ER Kinase，Perk）和活化转录因子6（Activating Transcription Factor 6，Atf6）3 条蛋白信号通路与正确结合蛋白葡萄糖调节蛋白78 解离，而与错误折叠蛋白结合，造成肠上皮细胞内质网功能紊乱，炎性因子IL-8 水平升高，引发早期结肠炎[30]。研究发现，使DUOX2 活性降低可减轻因GPX2基因缺失引起的肠道炎症[26]。

综上所述，GPX2 可通过抑制NOX1 刺激因子TNF、IFN-γ和LPS 等表达，降低NOX1 活性，阻止ROS 产生；同时，GPX2 可直接抑制H2O2过量产生，阻止内质网应激出现，也可影响Wnt/β-catenin 通路，阻断细胞持续增殖进程，维护肠上皮稳态（图3）。因此，在预防因ROS 诱发的动物肠道炎症过程中，其一，可以从其关键来源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 消除过多H2O2，使内质网免受氧化应激，保证其下游蛋白Ire1、Perk 和Atf6 正常功能；其三，干扰ROS 下游传导Wnt/β-catenin 信号，可以防止前体细胞成熟化，抑制肠上皮细胞无限增殖，以达到维护动物肠道健康，保证营养物质摄入，促进动物正常生长发育。

3 通过营养手段调控GPX2 改善动物生长

图3 GPX2 介导ROS 相关通路调节动物肠道炎症

目前可借助添加硒、益生菌、中草药（如仙鹤草）等多种营养调控手段提高GPX2 表达，促进动物生长发育。Lee 等[31]对断奶仔猪补充纳米硒后，发现其肝脏中GPX2 等硒蛋白表达增加，仔猪肝脏内抗氧化谱及免疫能力提高，日增重及日采食量显著上升。硒缺乏的雏鸡饲喂富硒酵母饲料后，十二指肠肠黏膜中硒含量增加，GPX2 含量及抗氧化能力提高，IL-4 和IL-6 水平显著降低，减少自由基对肠道的氧化损伤，降低肠炎发生率[32]。Zhang 等[33]给断奶仔猪饲喂添加罗伊氏乳杆菌饲粮，发现仔猪体内GPX2 含量升高，抗氧化能力增强，机体氧化应激反应减弱，肠道活动和采食量恢复正常。在仔猪日粮中添加中草药仙鹤草可使其日采食量和日增重增加，抗菌抗氧化能力增强，机体中GPX2 浓度增加，NF-кB 通路被抑制，炎性因子表达减少[34]。对绵羊饲喂不同硒源日粮后发现，肠道血液和组织中硒含量增加，GPX 活性升高，吞噬细胞活性随之增强，提升肠道抗氧化能力[35]。由此可见，通过营养调控可促进GPX2在动物肝脏、肠道等多种器官中发挥抗氧化功能，改善动物生长。此外，在研究由球虫病引起的乳犊牛肠道炎症时发现，对照组乳牛出现严重腹泻，肠绒毛高度降低，隐窝细胞凋亡，GPX2 含量呈代偿性上升，表明GPX2具有缓解肠道炎症的潜力[36]。因此推测，GPX2 通过参与防治组织氧化损伤、降低炎性因子分泌、改善肠道形态等过程，在防控动物慢性肠道炎症、维持肠道健康中起主导作用。综上所述，GPX2 增加对提高动物生产性能（如日增重、采食量）、增强免疫应答、降低肠道疾病发生率等均具有重要意义。

4 小结与展望

GPX2 具有提高机体抗氧化能力、降低炎性细胞因子分泌和防治肠组织受损等作用。在以NF-кB 和ROS 为诱因的肠道炎症中，GPX 参与上游合成通路抑制NF-кB 和ROS 产生：①降低IKK 复合物活性，抑制其对IкB 蛋白磷酸化过程，切断NF-кB 释放进程；②阻止TNF、LPS 和IFN-γ等因子激活NOX1，抑制DUOX2 生成，阻断过量ROS 产生。这2 条通路间接抑制外来炎性因子基因表达，制止ROS 对上皮细胞发出凋亡信号，阻止下游PI3K/AKT、Wnt/β-catenin、Notch1 信号和内质网异常蛋白表达过程，保障肠上皮屏障正常生长，防止肠上皮细胞内质网氧化应激出现，阻止肠道炎症发生。目前，GPX2 在维护动物肠道健康方面的研究逐渐增多，其在动物炎症治疗方面的潜力越发明显。但GPX2 在肠道炎症中具体作用机制研究尚浅，如何提高动物体内GPX2 浓度、GPX2 在不同肠段中是否具有不同作用、GPX2 是否参与更多的炎症因子通路等问题尚未明确，还需进一步深入探究。虽然目前GPX2 在动物肠道健康及生长中的应用很少，随着GPX2 的深入研究及作用机制更加明晰，其将成为动物肠病治疗的有效路径之一。