陶 嘉,唐 超,孟凡强,周炜玮,周立邦,陆兆新*
(南京农业大学食品科学技术学院,江苏 南京 210095)
随着生活水平的提高,人们的饮食结构发生明显变化,这导致肥胖及其他各种代谢性疾病发生率显著提升,例如高血脂症、高血压、动脉粥样硬化等疾病,尤其是心脑血管疾病已经成为我国死亡率第一的疾病,这引发了大众的广泛关注。肝脏是脂质代谢的重要器官,并且脂类代谢的紊乱主要发生在肝脏,所以肝脏内异常的脂质代谢会导致脂肪肝、肝细胞相关的慢性疾病、高血脂症等代谢综合征的发生[1-2]。
进入肝脏的游离脂肪酸被氧化后产生能量,或者被储存合成为甘油三酯。游离脂肪酸有一定的脂毒性,会引发细胞功能障碍和细胞凋亡。棕榈酸(palmitic acid,PA)是人类血浆中最丰富的一类饱和脂肪酸[3],非脂肪组织的细胞长期暴露于较高浓度的PA时,会刺激细胞发生氧化应激,脂质积累,甚至是细胞凋亡的现象。因为肝脏中甘油三酯的积聚是发生脂肪肝的主要原因,所以很多研究人员以PA为诱导剂构建脂肪肝模型,通过降低脂质积聚程度来评价活性物质的降脂潜力[4-8]。
黑木耳,又名光木耳、黑菜、树鸡,属于真菌门,担子菌纲,木耳目,木耳科,木耳属。其广泛种植于东南亚,中国产量第一,是中国人十分喜爱的中国传统美食[9],黑木耳性平味甘,具有滋补、润燥、养血益胃的作用[10]。关于木耳及其活性成分的降脂作用,已有很多报道,Huang Zirui等[11]发现,黑木耳70%醇提物具有降低血脂和预防脂肪肝变性的作用,Zhang Tingting等[12]发现黑木耳及其多糖具有降血脂和改善肠道菌群的作用,张淑曼等[13]发现毛木耳蛋白具有保护酒精性脂肪肝损伤的作用,但是目前关于黑木耳多肽的功能活性的研究较少。
本实验以黑木耳为原料,通过提取蛋白,将其酶解成多肽后,超滤获得不同分子质量的多肽。用PA诱导人类肝癌HepG2细胞构建脂肪肝细胞模型后,在培养基中加入黑木耳多肽,通过共培养探究木耳多肽对细胞脂质代谢的调节作用。
黑木耳 采购于沈阳家乐福超市。
硫酸铵、乙醇(分析纯) 国药集团化学试剂有限公司;胎牛血清(fetal bovine serum,FBS)、青霉素-链霉素溶液 生工生物工程(上海)股份有限公司;Dulbecco改良Eagle培养基(Dulbecco’s modified Eagle medium,DMEM) 美国HyClone公司;甘油三酯(triglyceride,TG)、总胆固醇(total cholesterol,TC)、低密度脂蛋白(low-density lipoprotein,LDL)、高密度脂蛋白(high-density lipoprotein,HDL)、谷草转氨酶(aspartate aminotransferase,AST)、谷丙转氨酶(alanine aminotransferase,ALT)、过氧化氢酶(catalase,CAT)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、丙二醛(malondialdehyde, MDA)试剂盒 南京建成生物工程研究所;二喹啉甲酸(bicinchoninic acid,BCA)试剂盒 碧云天生物技术有限公司;TransZol up plus RNA Kit试剂盒 北京全式金生物技术有限公司;HiScript®II Q RT SuperMix for qPCR试剂盒 南京诺唯赞生物科技股份有限公司;SYBR Green染料 翌圣生物科技(上海)有限公司。
DF-101s磁力搅拌器 上海力辰仪器科技有限公司;Centrifuge 5804R高速离心机 德国Eppendorf公司;ALPHA 1-4LSC冷冻干燥机 德国Martin Christ公司;Orion 3 STAR pH仪、Series water jacke细胞培养箱、A24811聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)仪 美国Thermo Fisher Scientific公司;7500实时荧光定量PCR仪 美国Applied Biosystems公司;InfiniteF200酶标仪 瑞士Tecan公司;L8900氨基酸自动分析仪(配BioBasic SCX阳离子交换柱和紫外检测器)日立高新技术公司。
1.3.1 黑木耳多肽的制备
将黑木耳烘干,用磨粉机磨碎后过100 目筛,得到木耳粉。将木耳粉与蒸馏水以1∶80(m/V)混匀后,用1 mol/L NaOH溶液调节pH值至9,而后置于磁力搅拌器中30 ℃搅拌1.5 h,搅拌结束后,8 000 r/min离心10 min收集上清液,并加入硫酸铵,收集硫酸铵饱和度40%~50%的沉淀于透析袋中,透析24 h,每隔2 h换一次水,即得到木耳蛋白粗提物。在蛋白粗提物中加入风味蛋白酶,酶解条件为pH 7.5、温度45 ℃、加酶量20 U/mg、底物质量浓度7 g/L,酶解2 h后,沸水浴10 min灭酶活,然后边搅拌边缓慢加入1.5 倍体积的无水乙醇,10 000 r/min离心10 min弃去沉淀,得到木耳多肽液。最后利用超滤管将多肽液分离为分子质量<3 kDa、3~10 kDa、10~30 kDa和>30 kDa部分,分别冻干用于后续实验。
1.3.2 氨基酸组成的测定
参考文献[14]进行样品的前处理,将1.3.1节冻干的样品置于酸水解管中,加入5 mL 6 mol/L盐酸,用氮气吹走瓶内空气后,用酒精喷灯封管,将水解管置于110 ℃烘箱中反应24 h。反应完成后,将其放置在室温中冷却,转移水解液至旋蒸瓶中,60 ℃旋转蒸发干后,加入2 mL pH 2.2的柠檬酸缓冲液复溶,将复溶液稀释至适当浓度后,过0.22 μm的滤膜,装至样品瓶,于氨基酸自动分析仪检测,样品与茚三酮在135 ℃条件下衍生,分别测定440 nm和570 nm波长处的吸光度。参考文献[15]进行氨基酸的定性和定量分析。
1.3.3 HepG2细胞培养
用含10%(体积分数)FBS的高糖DMEM溶液(即正常培养基)培养HepG2细胞,置于37 ℃、5%(体积分数)CO2的细胞培养箱生长,待其生长到对数生长期的时候进行传代或实验。
1.3.4 HepG2细胞脂肪肝模型的建立
将2×105个/mL的细胞悬液接种于6 孔板(1 mL/孔),培养12 h后细胞贴壁,而后将细胞分为阴性对照组、空白对照组和PA组:阴性对照组和PA组培养液分别更换为含体积分数1%的磷酸缓冲液(10 mmol/L、pH 7.2,后同)、含PA(终浓度为100、200、300、400 μmol/L)的正常培养基[16],空白对照组用正常培养基,继续孵育24 h,参考文献[17]测定细胞存活率,并根据细胞存活率的结果选择含一定浓度PA的正常培养基孵育24 h,然后按照检测试剂盒说明书检测细胞内TG含量,以选择合适的PA处理浓度(200 μmol/L)来建立HepG2细胞的脂肪肝模型。
1.3.5 多肽处理与细胞内物质水平的测定
将2×105个/mL的HepG2细胞悬液接种于6 孔板(1 mL/孔),培养12 h后细胞贴壁,吸弃培养基,加入含体积分数10%多肽溶液的正常培养基(含不同分子质量(<3 kDa、3~10 kDa、10~30 kDa、>30 kDa)及不同质量浓度(0.5、1.0、2.0 mg/mL)的多肽组分),空白对照组添加正常培养基,继续培养24 h,参考1.3.4节中方法测定细胞存活率。将1.3.4节空白对照组和200 μmol/L PA组孵育24 h后小心吸弃培养液,用2 mL的磷酸缓冲液小心清洗细胞两次后,空白对照组添加正常培养基;200 μmol/L PA孵育后的细胞添加含体积分数10%磷酸缓冲液的正常培养基,即为模型组;200 μmol/L PA孵育后的细胞添加含体积分数10%的多肽溶液的正常培养基(即含不同分子质量(<3 kDa、3~10 kDa、10~30 kDa、>30 kDa)的质量浓度为0.5、1.0、2.0 mg/mL的多肽组),继续培养24 h,参考1.3.4节中方法测定各组TG含量,筛选出的多肽组分进一步测定细胞内物质水平。用磷酸缓冲液清洗细胞两次,将孔板置于冰上,每孔加入含1 mmol/L苯甲基磺酰氟的细胞裂解液100 μL,用移液枪反复吹打结合细胞刮棒将板底细胞收集至EP管中,于冰上裂解2~5 min后,将其4 ℃、8 000 r/min离心5 min后收集上清液,按照检测试剂盒的说明检测TC、LDL、HDL、CAT、SOD、MDA水平,结果均以蛋白质量计。
1.3.6 细胞外AST、ALT活力测定
取1.3.5节一定分子质量和一定质量浓度多肽组分培养24 h后的细胞,收集细胞培养液,按照AST、ALT试剂盒说明书检测酶活力。
1.3.7 实时荧光定量聚合酶链式反应检测相关基因表达
取1.3.5节一定分子质量和一定质量浓度多肽组分培养24 h后的细胞,使用TransZol up plus RNA Kit试剂盒提取细胞的RNA,而后使用HiScript®II Q RT SuperMix for qPCR试剂盒进行反转录,得到cDNA,并以此为模版,进行后续的qPCR实验。反应体系为:2μL cDNA,上下游引物各0.6 μL,双蒸水6.4 μL,SYBR mix 10 μL。实时荧光定量PCR反应条件为:预变性95℃、5 min,循环扩增95℃、15 s,60 ℃、1 min(40 个循环),熔炼曲线95℃、15 s,60 ℃、1 min,95℃、15 s,而后使用2-ΔΔCt的方法计算基因相对水平。
表1 实时荧光定量PCR引物序列Table 1 Primer sequences used for real-time quantitative PCR
实验结果以平均值±标准差表示,采用SPSS 23软件对数据进行统计分析,采用邓肯多重比较组间差异性分析,P<0.05表示差异显著,采用Excel 2016软件作图。
2.1.1 棕榈酸对HepG2细胞存活率的影响
不同浓度的PA与HepG2细胞共培养24 h后细胞的存活率如图1所示,与空白对照组和阴性对照组相比,在PA浓度低于200 μmol/L时,细胞存活率没有显著降低(P>0.05),此时不影响细胞的正常生长,而当PA浓度高于300 μmol/L时,细胞存活率显著下降(P<0.05),说明此时PA对细胞产生了毒性作用。因此后续实验选用含0(阴性对照组)、100、150、200 μmol/L PA的培养基建立高脂细胞模型。
图1 PA对HepG2细胞存活率的影响Fig.1 Effect of PA on cell viability of HepG2 cells
2.1.2 棕榈酸对HepG2细胞TG含量的影响
由图2可知,与阴性对照组相比,HepG2细胞在含PA培养基中培养24 h后,浓度为150、200 μmol/L的PA组细胞内TG含量显著升高(P<0.05),200 μmol/L的PA组TG含量为阴性对照组的1.70 倍。Mayer等[7]将HepG2细胞暴露于250 μmol/L PA中24 h,细胞内TG水平升高为正常细胞的1.50 倍。Alnahdi等[16]也将HepG2细胞置于含300 μmol/L PA的培养基中培养24 h后,观察细胞内脂滴的积累程度,发现其脂滴含量增加。因此,结合PA对HepG2细胞细胞存活率的影响,选择200 μmol/L PA孵育24 h建立HepG2细胞的脂肪肝模型。
图2 PA对HepG2细胞TG含量的影响Fig.2 Effect of PA on TG content in HepG2 cells
2.2.1 黑木耳多肽对HepG2细胞存活率的影响
通过超滤技术将黑木耳多肽按照分子质量大小分为4 部分(<3 kDa、3~10 kDa、10~30 kDa、>30 kDa),不同质量浓度黑木耳多肽与HepG2细胞共培养24 h后细胞的存活率如图3所示,黑木耳多肽质量浓度为0.5~2.0 mg/mL时,细胞存活率与空白对照组相比没有显著性的变化(P>0.05),这说明在此质量浓度范围内,各分子质量黑木耳多肽并不影响细胞的正常生长,可以在该质量浓度范围内进行后续实验。
图3 黑木耳多肽对HepG2细胞存活率的影响Fig.3 Effect of Auricularia auricula polypeptides on cell viability of HepG2 cells
2.2.2 黑木耳多肽对脂肪肝细胞的降脂作用
不同分子质量黑木耳多肽的降脂效果如图4所示,<3 kDa和3~10 kDa的黑木耳多肽表现出较好的降脂活性,0.5 mg/mL时就可以显著降低细胞内TG的含量,而>10 kDa的黑木耳多肽质量浓度为2.0 mg/mL时,也不能显著下降细胞内TG水平。随着样品质量浓度的升高,<3 kDa和3~10 kDa的黑木耳多肽降脂效果也在提升,当质量浓度为2.0 mg/mL时,<3 kDa 黑木耳多肽处理的细胞内TG含量与空白对照组无显著性差异(P>0.05)。由此可知,<3 kDa的黑木耳多肽对高脂HepG2细胞模型的降脂效果最好,所以选取<3 kDa的黑木耳多肽用于后续实验,并将其命名为AAP-3。
图4 不同分子质量黑木耳多肽的降脂作用Fig.4 Lipid-lowering effects of Auricularia auricula polypeptides with different molecular masses
2.3.1 AAP-3氨基酸组成分析
AAP-3中氨基酸的组成如表2所示,其中质量分数最高的氨基酸为谷氨酸,相对含量为13.24%,质量分数最低的为半胱氨酸,相对含量为0.66%,必需氨基酸相对含量为45.44%,非必需氨基酸相对含量为54.56%,必需氨基酸与非必需氨基酸相对含量之比为0.83,是一种优质的蛋白产品[18]。
表2 AAP-3的氨基酸组成Table 2 Amino acid composition of AAP-3
研究发现,食物蛋白肽的降脂活性与氨基酸疏水性有很大联系。Takeshita等[19]发现大豆多肽的疏水性氨基酸有降血脂的作用,马志鹰[20]从骆驼血液中分离出3 种降脂肽的疏水氨基酸相对含量分别为39.01%、38.83%、39.82%,徐霞[21]发现可降血脂的藜麦多肽,其疏水性氨基酸相对含量为37.88%,这些具有降脂活性的活性多肽疏水性氨基酸相对含量都较高。而AAP-3疏水性氨基酸的相对含量为38.8%,与大多具有降脂活性的多肽一样,疏水性氨基酸占比较高。
2.3.2 AAP-3对HepG2细胞内TC含量的影响
由图5可知,相比于空白对照组,模型组细胞TC含量显著升高(P<0.05),这与Youn等[6]用PA处理HepG2细胞后的结果一致,PA会诱导胞内的TC含量提升。胆固醇代谢和脂质代谢是紧密相关的,Fungwe[22]、Ibrahim[23]等发现过高的胆固醇摄入会提高TG水平,并证明胆固醇可以抑制脂肪酸的氧化分解,并在这一过程中提高TG水平。
图5 AAP-3对HepG2细胞TC含量的影响Fig.5 Effect of AAP-3 on TC content in HepG2 cells
与模型组相比,0.5 mg/mL AAP-3对TC含量没有显著性影响(P>0.05),1.0 mg/mL和2.0 mg/mL的AAP-3对细胞内TC含量都有显著性下调作用(P<0.05),随AAP-3剂量的升高,胞内TC含量降低。模型组的TC水平是空白对照组的1.43 倍,2.0 mg/mL AAP-3处理后,TC水平是空白对照组的1.12 倍,说明AAP-3具有降低胆固醇的作用。
2.3.3 AAP-3对HepG2细胞HDL和LDL含量的影响
HDL可以将血液中过剩的胆固醇转运至肝脏,LDL负责将胆固醇转运到肝外组织细胞[24]。当过度肥胖时,会导致体内HDL含量下降和LDL含量上升,还会造成TC的积累,提高动脉粥样硬化的风险[25]。由图6可知,与空白对照组相比,模型组细胞内LDL含量显著性上升(P<0.05),HDL含量显著性下降(P<0.05),说明在PA的刺激下,细胞内脂蛋白的表达出现异常。
图6 AAP-3对HepG2细胞LDL(A)和HDL(B)含量的影响Fig.6 Effect of AAP-3 on LDL (A) and HDL (B) contents in HepG2 cells
AAP-3显著降低了胞内的LDL含量,当样品质量浓度为2.0 mg/mL时,细胞内LDL含量为(2.18±0.10)mmol/g,虽然未恢复至正常水平((1.68±0.07)mmol/g),但相较于模型组仍显著降低。与空白对照组比,模型组细胞内的HDL含量下降了38.46%,样品组随着多肽剂量的升高,胞内HDL的含量不断升高,当样品质量浓度达到1.0 mg/mL时,细胞内HDL含量与空白对照组已无显著性差异(P>0.05),当样品质量浓度达到2.0 mg/mL时,细胞内HDL含量较空白对照组显著升高(P<0.05),这与薛海晶[26]发现用黑木耳超微粉灌胃高血脂小鼠可提高其血清中HDL-C水平的研究结果一致。这说明AAP-3可以提高细胞内HDL的含量,降低胞内LDL水平。
2.3.4 AAP-3对HepG2细胞的保护作用
AST与ALT水平是评价肝细胞损伤的重要指标,当肝细胞受损,细胞膜的通透性改变,内部的AST和ALT就会泄露,导致胞外二者水平升高[27]。由图7可知,模型组细胞外ALT和AST的活力相较于空白对照组显著提高(P<0.05),说明PA对肝细胞造成了损伤,使细胞内容物外泄。
图7 AAP-3对HepG2细胞外ALT(A)和AST(B)活力的影响Fig.7 Effect of AAP-3 on extracellular ALT (A) and AST (B) activity in HepG2 cells
AST和ALT活力随添加的AAP-3质量浓度升高而降低,具有剂量依赖性。样品质量浓度为0.5~2.0 mg/mL时,细胞外ALT水平已与空白对照组无显著性差异(P>0.05)。胞外AST的含量在AAP-3质量浓度大于或等于1.0 mg/mL时,与空白对照组无显著性差异(P>0.05)。说明APP-3有效降低了胞外AST和ALT的含量,对于PA造成的肝细胞损伤有一定保护作用。张淑曼等[13]研究发现毛木耳蛋白也有护肝功效,可降低酒精性损伤的肝细胞外的AST和ALT的水平,提高肝细胞的完整度。
2.3.5 AAP-3对HepG2细胞的抗氧化作用
脂质积累也会给细胞带来氧化损伤,使抗氧化酶活力降低,MDA是脂质氧化的终产物,其含量可反映过氧化的程度,而氧化损伤又会进一步影响正常代谢,从而形成恶性循环,这也符合非酒精型脂肪肝会出现氧化应激、线粒体功能障碍等特征[28-29]。由表3可知,模型组相较于空白对照组,抗氧化酶CAT和SOD活力均显著降低,细胞内过氧化物MDA含量也显著提高(P<0.05)。
表3 AAP-3对HepG2细胞内CAT、SOD活力和MDA含量的影响Table 3 Effect of AAP-3 on catalase (CAT) and SOD activity and MDA content in HepG2 cells
样品组中SOD活力随AAP-3剂量升高而升高,MDA含量随AAP-3剂量升高而减少,当AAP-3质量浓度为2.0 mg/mL时,细胞内SOD活力和MDA含量与空白对照组无显著性差异(P>0.05),但其并未显著提升细胞内CAT的活力。这表明AAP-3有一定抗氧化活性,对SOD活力有保护作用,对MDA的积累有清除作用,但是对CAT的活力影响较小,这表明AAP-3能增强HepG2细胞的脂质抗氧化能力,降低脂质过氧化程度[30-31]。
2.3.6 AAP-3对HepG2细胞脂质代谢的调节作用
SREBP-1c可促进FAS的表达,最终推动脂肪酸的合成,在TG和TG合成中发挥重要作用[32],其异常高表达会导致肝脏TG积累和脂代谢紊乱。FAS为脂肪酸合酶的简称,它可催化生成长链脂肪酸,是脂肪合成的关键步骤[33],下调FAS的表达量可降低脂肪的合成。Jiao Xinyao等[34]研究发现蓝莓多酚提取物具有减肥的功效,实验中肥胖小鼠肝脏内脂滴增多,脂肪变性严重,且肝脏内FAS和SREBP-1c的表达水平显著上升,而补充蓝莓多酚提取物可有效降低二者的表达,进而推测其通过抑制脂肪合成的作用来达到减肥的作用。
由图8可知,相较于空白对照组,模型组中FAS、SREBP-1c的表达量显著性升高(P<0.05),这说明PA促进了细胞内脂质的合成。样品组中随AAP-3剂量的升高,FAS、SREBP-1c的表达量逐步降低,虽然2.0 mg/mL时仍高于模型组的表达量,却显著低于模型组的转录水平(P<0.05)。据此可推测AAP-3可通过抑制脂肪酸形成进而降低胞内TG水平。
图8 AAP-3对HepG2细胞中脂肪合成基因mRNA表达量的影响Fig.8 Effect of AAP-3 on the mRNA expression of genes associated with lipogenesis in HepG2 cells
脂肪分解需先将甘油三酯分解为甘油和脂肪酸,而后脂肪酸通过β氧化释放能量,甘油三酯脂肪酶(adipose triglyceride lipase,ATGL)可将甘油三酯酶解成甘油和脂肪酸,所以是分解脂肪的重要生物酶[35]。PPAR-α与PGC-1α都与线粒体氧化代谢有关[36],二者表达量上调可以增加线粒体内的能量代谢,加快脂肪的β氧化[37]。AMPK在调节代谢组织能量平衡中发挥着核心作用,与脂肪生成基因的下调和脂肪分解基因的上调有关,可促进脂肪分解的同时减少脂肪合成[38],从而减少葡萄糖、脂质和胆固醇的产生,是维持脂质和葡萄糖稳态的能量调节基因[39],被认为是治疗糖尿病、肥胖或血脂异常等代谢性疾病的重要分子靶点[38]。
由图9可知,模型组相较于空白对照组,PPAR-α、ATGL、AMPK、PGC-1α脂肪分解基因的mRNA表达量显著降低(P<0.05),说明PA一定程度下调了脂肪分解相关基因。而相较于模型组,样品组中这些基因表达量都有所上调,并且总体上随着剂量上升逐步上调。其中,样品质量浓度为2.0 mg/mL时,AMPK和PPAR-α的表达量显著高于空白对照组(P<0.05),ATGL的表达量与空白对照组无显著性差异(P>0.05),PGC-1α的表达量仍显著低于空白对照组(P<0.05),这些表明AAP-3一定程度上促进了脂肪分解基因的表达。
图9 AAP-3对HepG2细胞中脂肪分解基因mRNA表达量的影响Fig.9 Effect of AAP-3 on the mRNA expression of genes associated with lipolysis in HepG2 cells
本实验通过PA诱导HepG2细胞建立脂肪肝模型。利用风味蛋白酶对黑木耳蛋白进行酶解处理,超滤得到不同分子质量的黑木耳多肽,其中分子质量小于3 kDa的AAP-3具有较好的降脂、降胆固醇和抗氧化活性。具体表现在200 μmol/L PA与HepG2细胞共培养24 h后,细胞内TG水平上升至阴性对照组的1.70 倍,2.0 mg/mL AAP-3与高脂HepG2细胞共培养24 h,TC水平降低至空白对照组的1.12 倍。与此同时,与模型组相比,AAP-3也提高了HDL水平,降低了LDL水平,一定程度上恢复了细胞正常的脂质代谢。对于PA带来的细胞损伤,AAP-3也降低胞外AST和ALT水平,说明其保护了细胞完整度,减少胞内酶外泄。同时AAP-3提高了胞内SOD活力,减少胞内MDA的积累,一定程度上缓解了由脂质代谢紊乱带来的氧化应激反应。脂质代谢的过程十分复杂,最终影响脂质代谢的途径主要分为脂质的获取、储存与消耗[36]。通过检测HepG2细胞内与脂质代谢相关的表达水平可知,AAP-3可以下调FAS、SREBP-1c脂质合成基因的表达量,提高PPAR-α、ATGL、PGC-1α等分解脂质的基因表达水平,以此来调节脂质代谢。本实验结果初步表明黑木耳多肽具有体外降脂的功效,具有一定的研究价值,也为今后多肽类物质的细胞功能评价提供了参考。