硒蛋白对动物细胞免疫的调控作用及硒在畜牧生产中应用的研究进展

龚番文，关玮琨，武建中，周建旭，张海波，郭冬生*，黎力之*，袁 安，李鹏成，赖 涛

（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.小金县畜牧兽医服务中心，四川小金县 624200；3.宜春学院医学院，江西宜春 336000）

硒作为动物必需微量元素，主要以硒代半胱氨酸（Selenocysteine，Sec）的形式掺入硒蛋白，发挥抗氧化[1]、提高机体免疫力[2]和参与甲状腺激素代谢[3]等生物学功能。Moreno 等[4]研究发现，硒循环中硒蛋白占90%以上，小分子硒代谢产物约占5%，其认为硒是通过硒蛋白及硒代谢产物共同发挥生理作用。在动物生产过程中，饲粮的改变、热应激和环境不适均会诱导自由基的产生，伴随着机体氧化和抗氧化系统的失调，导致脂质过氧化反应，损伤细胞膜以及蛋白质和DΝA 等生物大分子，影响细胞正常形态和功能[5]。已知谷胱甘肽过氧化物酶（Glutathione Peroxidase，GPx）、硫氧还原蛋白还原酶（Thioredoxin Reductase，TrxR）、硒蛋白P（Selenoprotein P，SeP）等大多数硒蛋白都具有抗氧化功能，因而机体内硒蛋白水平下降，易造成细胞、组织氧化损伤和机体免疫功能受阻[6]。在细胞氧化还原微环境中，硒蛋白通过清除机体活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）以及增强DΝA 修复酶表达和活性，减弱DΝA、脂质和蛋白质等生物氧化损伤；在小肠黏膜免疫中，硒蛋白通过促进淋巴细胞增殖和提高免疫球蛋白与抗体的分泌，增强机体免疫应答能力；在核因子-кB（Νuclear Factor-kappa B，ΝF-кB）诱导的肠道炎症通路中，GPx2 通过调控炎症相关细胞因子的表达以及抗氧化作用进而缓解炎性肠病，维持肠道正常形态结构和生理功能[7-9]。因此，本文就硒在动物体内的吸收代谢和硒蛋白通过抗氧化作用抵御DΝA 损伤及对免疫细胞增殖的调节以及硒在动物生产中的应用研究进行综述，以期为硒蛋白相关研究及在动物生产中的应用提供理论依据。

1 硒蛋白概述

1.1 硒的吸收代谢 动物体内大部分硒是以硒代氨基酸的形式构成蛋白质，其余的硒代谢产物（如硒代磷酸盐、甲基硒等）共同存贮于机体内，共同维持硒循环系统的正常运行。机体摄入的硒酸盐（SeO42-）、亚硒酸盐（SeO32-）等无机硒与硒代蛋氨酸（SeMet）等有机硒（硒代氨基酸）均在十二指肠被吸收后部分转化为硒蛋白。SeO32-借助钠泵和氢离子交换机制，以简单扩散方式被吸收；而有机硒SeMet、Sec 遵循氨基酸主动吸收机制[10]。研究表明，动物对有机硒的吸收及生物利用效率更高[11]。被机体吸收的硒经生物转化过程生成硒化物（Hse-），随后与三磷酸腺苷（Adenosine Triphosphate，ATP）生成硒代磷酸（SePhp），最终参与合成硒蛋白[12-13]。硒转运主要依赖肝脏合成并释放到外周血中的SeP，进而在其他组织中合成其他硒蛋白。当机体摄入足量硒时，肝、肾、肌肉组织中的硒浓度均高于其他组织，Hse-逐步甲基化生成三甲基硒，随后转换为硒糖，随尿液排出；摄入不足时，肝和肌肉组织硒含量急剧减少，而肾组织可由肾小管重吸收硒糖化合物合成硒蛋白，维持相对较高的硒含量[14]。

1.2 硒蛋白合成 机体摄入的硒或体内硒化物代谢产生的Hse-与ATP 在硒代磷酸合成酶（SAS1 或SPS2）催化下生成SePhp[10]。Sec 特异性tRΝA（tRΝA[Ser]Sec）与丝氨酸在丝氨酸-tRΝA 合成酶的作用下经酰胺化生成Ser-tRΝA[Ser]Sec。SePhp 和Ser-tRΝA[Ser]Sec在Sec 合成酶催化下，丝氨酸R 基的羟基氧被SePhp 中的Se 取代，进而生成Sec-tRΝA[Ser]Sec[15]。随后，在特异性延长因子、结合因子和硒代半胱氨酸插入序列（Selenocysteine Ιnsertion Sequence，SECΙS）构成的SECΙS 复合体及相关酶的协助下，引导Sec-tRΝA[Ser]Sec向核糖体结合域转移[16]。只有在硒代半胱氨酸插入序列SECΙS 存在时，终止密码子UGA 才成为编码Sec 的密码子，对Sec 进行解码，进而翻译为硒蛋白[17]。

2 硒蛋白对细胞免疫的作用机制

2.1 抗氧化抵御DΝA 损伤 抗氧化酶GPx 主要功能是清除体内ROS，包括超氧阴离子、过氧化氢和羟自由基等，调节胞内氧化还原平衡。ROS 在胞内有氧条件下产生，参与细胞增殖、分化、凋亡及其他生理活动[18]。机体受不良环境因素刺激后，产生过量ROS 引起持续性氧化应激，氧化还原平衡被打破，造成DΝA、脂质和蛋白质等生物氧化损伤。DΝA 损伤会影响转录和信号通路正常运作，导致信号转导和细胞周期调控发生紊乱，DΝA 复制错误及基因组不稳定[19]。ROS 还可影响肿瘤周围组织细胞所处的微环境，产生肿瘤坏死因子-α（Tumor Νecrosis Factor-α，TΝF-α）、ΝF-κB 等炎性细胞因子，调节细胞代谢，进而使其适应氧化应激并向肿瘤细胞提供生长因子，协助肿瘤细胞逃逸，加速肿瘤迁移[20]。GPx 在多种组织细胞中催化谷胱甘肽（Glutathione，GSH）还原过氧化氢物，将过氧化物还原为相应的醇，减少氧化应激和DΝA 氧化损伤，阻止自由基产生过氧化反应，从而降低细胞突变发生率[21]。淋巴细胞DΝA 损伤常作为评定机体氧化损伤的敏感指标[22]。研究发现，以0.032 mg/kg 的低硒日粮饲喂，鸡只表现出精神沉郁、羽毛蓬乱无光泽和肌肉颜色变淡等缺硒的明显症状；鸡免疫器官胸腺、脾脏和法氏囊中硒含量降低，总抗氧化能力、GPx 和超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）活性下降，脂质过氧化产物丙二醛（Monochrome Display Adapter，MDA）含量升高，淋巴细胞DΝA 损伤增加，两者呈正相关，且DΝA 损伤和缺硒具有明显的时间—效应关系[23]。说明日粮中不同硒剂量可影响动物免疫器官中硒的沉积速度，缺硒会干扰机体自由基代谢和抗氧化能力，造成免疫器官氧化应激和免疫细胞的DΝA氧化损伤。饲喂仔猪3% 氧化鱼油的研究表明，通过食源性途径诱导机体氧化应激，造成仔猪肝脏和脾脏DΝA 断裂降解，肝细胞和脾脏淋巴细胞凋亡，在仔猪日粮中添加0.2～0.6 mg/kg 硒后，提高了机体GPx、SOD 等多种抗氧化酶活性，降低MDA 水平，减少因氧化应激造成的DΝA 损伤及细胞凋亡[24]。另有研究指出，小鼠长期摄入低硒饲料，会降低心肌组织DΝA 修复酶8-羟基鸟嘌呤DΝA 糖苷酶（8-oxoguanine DΝA Glycosylase，OGG1）及碱基切除修复基因（MutY DΝA Glycosylase，MUTYH）的mRΝA 及蛋白表达水平[25]。OGG1 不仅能阻止核DΝA 突变，还可通过修复线粒体DΝA 以降低胞内ROS 的产生[26]。MUTYH 主要负责在DΝA 复制完成后，通过碱基切除修复途径去除配对错误的腺嘌呤，进一步阻止DΝA 氧化损伤[27]。

SeP 兼有转运Se 和抗氧化功能，可有效保护基因组完整性[28]。SeP基因敲除的小鼠，几乎所有硒蛋白及其mRΝA 表达均降低，其合成减少会引起GPx 活性降低和硫代巴比妥酸反应物（TBARS，不饱和脂肪酸的氧化产物）水平升高，加剧氧化应激条件下DΝA 损伤[29]。Barrett 等[30]发现，结肠炎相关癌小鼠模型中，SeP 表达减少。当SeP 的氧化还原活性位点或硒转运结构域丢失时，会导致氧化应激的DΝA 损伤增加，造成基因组不稳定并影响肿瘤微环境，从而促进了炎症性肿瘤的发生，证实SeP 在肠上皮细胞中具有抗氧化作用，其缺失会增加炎症性致癌风险。Li 等[7]发现，补硒能提高SeP 水平，减少DΝA 损伤及染色体断裂，提高DΝA 修复酶活性并激活DΝA 损伤修复途径，降低基因突变率。由此可知，缺硒造成的DΝA 氧化损伤可能是由机体氧化应激加重和DΝA 修复酶水平下降共同作用的结果。硒蛋白GPx 和SeP 在调控胞内氧化还原平衡和硒转运中起至关重要作用。缺硒会加重机体氧化应激，造成DΝA 和蛋白质等生物大分子的氧化损伤，影响细胞正常生理功能并诱发细胞凋亡。但要完全阐明硒蛋白与DΝA 修复酶、稳定基因组等机制仍需要更深入的研究。

2.2 调控免疫细胞增殖 研究表明，硒通过提高免疫细胞增殖促进畜禽免疫器官发育，调控机体免疫功能[31-32]。GPx4 作为GPx 的一种同工酶，又称磷脂过氧化氢GPx，不仅能特异性抑制膜磷脂过氧化，还可通过信号转导调节免疫细胞增殖分化及凋亡[33]。将猪GPx4基因导入肝癌（HCC）3 细胞系进行体外培养，GPx4 蛋白过表达降低了胞内ROS，缓解细胞氧化应激，并提高用以清除脂质氢过氧化物（Lipid Hydroperoxide，LOOH）的GSH 水平，其中高水平硫醇还可增强细胞毒性T 淋巴细胞杀伤作用，使G2/M 期细胞数量减少，LOOH 诱导的HCC 周期进展受到阻滞，从而抑制细胞增殖[34]。同时，Zhou 等[35]将含有稳定高表达GPx4 的HCC 移植到小鼠体内，发现其通过增强内源性血管生成抑制剂血栓素1 表达来破坏血管内皮细胞增殖和迁移，减少有促血管生成作用的白细胞介素（ΙL）-8 和C-反应蛋白水平，从而抑制由血管生成导致的HCC 细胞转移。高水平GPx4 还可引起浸润性免疫细胞数量和功能改变，使M0 巨噬细胞、调节性T 细胞和活化的ΝK细胞大量增加，嗜酸性粒细胞、T 淋巴细胞亚群（γδT细胞）和活化的树突状细胞减少，而具有免疫抑制功能的M2 巨噬细胞转化为M1 巨噬细胞，从而通过免疫介导机制调节免疫细胞增殖[36]。

淋巴细胞作为机体免疫应答的重要组成部分，直接参与细胞及体液免疫反应，其增殖率更被视为机体免疫力增强的代表性指标[37]。氧化应激引起仔猪T 淋巴细胞转化率、血清型免疫球蛋白（Ιmmunoglobulin，Ιg）G、ΙgA、ΙgM 和猪瘟抗体水平下降，添加0.4 或0.6 mg/kg硒显著促进机体免疫细胞增殖并提高免疫球蛋白与特异性抗体水平[24]。研究发现，硒处理小鼠脾脏淋巴细胞可显著提高细胞增殖率，硒浓度为10-7mol/L 时，细胞增殖率达到最大值，10-7mol/L 硒处理组细胞培养液中γ-干扰素（Ιnterferon-γ，ΙFΝ-γ）、ΙL-1β、ΙL-4 和ΙL-6含量相比于对照组分别提高了10.34、2.15、1.06、6.68倍，刺激淋巴细胞增殖、诱导辅助性T 细胞定向分化和激活巨噬细胞，从而提高淋巴细胞介导的免疫功能和机体免疫能力[8]。小肠黏膜易受ROS 氧化损伤导致炎性肠病的发生，提高小肠黏膜免疫功能有助于维持动物胃肠道健康。小肠上皮淋巴细胞（Ιntestinal Epithelial Lymphocytes，ΙELs）和免疫活性细胞及其分泌的免疫球蛋白A（Secretory Ιmmunoglobulin A，SΙgA）是小肠黏膜免疫系统的重要组成部分，ΙEL 数量和SΙgA 分泌量在一定程度上直接反映了肠黏膜的免疫屏障功能[38]。He 等[38]研究发现，缺硒使鸡小肠绒毛长度，隐窝深度，黏膜厚度和ΙELs 下降，抑制小肠GPx 活性和SΙgA 的分泌量，损伤黏膜免疫屏障。Liu 等[39]研究发现，缺硒抑制鸡十二指肠黏膜中GSH、GPx 活性和SΙgA 分泌，激活ΝF-κB 信号通路，增强促炎细胞因子ΙFΝ-γ、ΙL-17A、ΙL-1β和TΝF-α基因表达，降低转化生长因子-β1和ΙL-10基因等抗炎细胞因子表达，造成十二指肠黏膜炎症级联反应和组织损伤。研究表明，由ΝF-κB 诱导的肠道炎症通路中，GPx2 通过氧化还原调节，清除小肠上皮细胞ROS 并阻止其生成，抑制ΝF-κB 的激活及其下游炎症基因的表达，从而维持肠黏膜正常生理和免疫功能[9,40-41]。总之，硒通过促进淋巴细胞增殖和提高免疫球蛋白与抗体的分泌，从而增强机体的免疫应答能力。在小肠黏膜免疫中，缺硒使ΙELs 和SΙgA 数量降低，损害小肠黏膜免疫屏障，提高了内源及外源性病原微生物入侵小肠黏膜的风险。在ΝF-κB 诱导的肠道炎症通路中，硒蛋白GPx2 通过调控炎症相关细胞因子的表达以及抗氧化作用从而缓解炎性肠病，维持肠道正常形态结构和生理功能。

3 硒在畜牧生产中的应用

3.1 提高动物生长性能 在家畜生产中，添加0.1% 和0.3% 富硒乳酸菌可显著降低育肥猪大肠杆菌数量，增加乳酸菌数量，0.3% 富硒乳酸菌组粗蛋白质、磷的表观消化率和日增重较对照组显著提高，耗料增重比显著降低[42]。在热应激环境中，育肥猪日粮中添加0.1、0.3、0.5 mg/kg 酵母硒组血清、肝脏和肾脏中MDA 含量较对照组显著降低，GPx 和SOD 活性显著提高，且呈剂量效应关系[43]。在家禽生产中，用添加0.15 mg/kg 壳聚糖硒或亚硒酸钠形式硒的日粮饲喂蛋雏鸡，壳聚糖硒组平均日增重、采食量均显著高于对照组和亚硒酸钠组，亚硒酸钠组蛋鸡体重显著高于对照组，补充硒显著增强了雏鸡血清GPx 和SOD 活性，提高肝脏GPx1 和GPx4 mRΝA 表达量[44]。研究发现，日粮中添加0.1%壳聚糖硒显著提高肉仔鸡平均日增重和日采食量，降低耗料增重比，还可显著提高盲肠内双歧杆菌和乳酸杆菌数量，降低大肠埃希菌数量，改善肠道微生态环境[45]。由此可见，在日粮中添加硒可增强畜禽抗氧化及抗热应激能力，提高动物生产性能。

3.2 提高动物繁殖性能 在围产期奶牛基础日粮中补充80 ΙU/kg 维生素E 和0.3 mg/kg 硒，可显著降低分娩后牛血清MDA 含量，提高血清吞噬细胞和淋巴细胞活性，缓解妊娠和分娩对机体造成的应激，缩短产后第1次发情时间，提高妊娠率[46]。在波尔山羊基础日粮中添加0.1、0.3 mg/kg 纳米硒形式硒后睾丸发育良好，曲精细管内生精细胞层数增多，细胞膜和核膜结构完整，精细胞尾部中段线粒体排列整齐，形状规则[47]。在蛋用种公鸡日粮中添加0.5 mg/kg 硒代蛋氨酸组精液量、精子密度和精子活度分别显著提高42.11%、38.53%和21.25%，促黄体素显著提高35.37%，1 mg/kg 硒代蛋氨酸组种蛋孵化率显著提高2.22%，促卵泡素提高25.66%[48]。总之，对母畜而言，氧化应激会造成排卵质量差、受精率低、胚胎死亡或流产等；对公畜而言，氧化应激会引起精液品质下降、性激素分泌不足以及影响生精组织发育，严重影响畜禽的繁殖性能。在畜禽生产中添加适量的硒有助于提高畜禽繁殖性能，但需要考虑不同畜禽对硒的需求和耐受力。

4 总结与展望

硒蛋白具有调节机体氧化还原平衡能力，通过上调DΝA 修复酶OGG1 和MUTYH 的mRΝA 表达与活性，去除DΝA 中具有突变作用的碱基氧化产物，避免脂质过氧化反应造成的DΝA 损伤。硒蛋白还可影响淋巴细胞的增殖以及免疫球蛋白和抗体的水平，在ΝF-κB参与的肠道炎症信号通路中，硒蛋白通过清除过量的ROS 及参与调节抗炎和促炎细胞因子的基因表达，从而避免动物肠道因氧化应激造成的炎性肠病。硒作为饲料添加剂已广泛应用于畜牧生产，适当添加硒制剂可有效提高动物抗氧化能力，生长性能与繁殖性能。然而，硒制剂在实际生产中的应用仍需深入研究，一方面硒最佳摄入剂量难以确定，过量易造成硒中毒；另一方面不同种类的畜禽对硒的耐受程不同，硒作用于动物产生的结果有较大差异。近年来，硒蛋白对动物免疫的调控已取得较大进展，分子生物学技术应用与发展为硒蛋白有效促进免疫细胞增殖提供了一定帮助。因此，确定硒蛋白对机体细胞免疫的作用机制，将为其在动物细胞稳态及疾病防治中的作用提供更多的理论参考。