L-麦角硫因生物合成与应用研究进展

木开代斯·买合木提，陈 建，焦春伟，谢意珍*

1广东粤微食用菌技术有限公司，广州 510663；2仲恺农业工程学院资源与环境学院，广州 510225

天然麦角硫因为左旋L-麦角硫因(L-ergothioneine，L-EGT)，分子量为229.3，白色晶体，易溶于水(24 ℃下每升可溶0.9 mol)，硫咪唑氨基酸(thiol-imidazole amino acids)类天然抗氧化剂，参与维持机体细胞内的氧化还原态[1]。1909年，Tanret等[2]首次从寄生于禾本植物黑麦的麦角真菌分离出L-EGT，随后在人类血液中发现L-EGT，从而引起了人们的关注。生理条件下，L-EGT主要以硫酮的形式存在，保持稳定性，使其不易发生自氧化(见图1)。由于L-EGT特殊结构，它具有比谷胱甘肽更高的稳定性和抗氧化活性[3]。研究表明，L-EGT具有预防和治疗由氧化胁迫而引起的癌症、心血管疾病、认知功能障碍等疾病的潜力以及生鲜食品的保鲜和防腐[4-16]。2016年，欧洲食品安全局发布了L-EGT作为新型食品的安全性评估声明[4]，为L-EGT相关医药以及食品的开发拓宽了道路。基于L-EGT的强抗氧化性、安全性和稳定性等优点，使其在化妆品、功能食品、医疗、治疗学和生物医学等领域展现出良好的应用前景。

图1 L-EGT的互变异构体

1 L-麦角硫因的生物合成

L-EGT最初是1909年Tanret等[2]从麦角真菌中分离得到，并认为L-EGT分布于分生孢子中而不是菌核。

1956年、1957年及1958年Heath和Wildy连续用[2-14C]乙酸盐标签法[17]、[35S]标记蛋氨酸及用[2(环)-14C]标记组胺标签法[18]、组氨酸标签法[19]确认了组氨酸、蛋氨酸是合成L-EGT的前体。1959年Melville等[20]在同位素标记前体的帮助下，研究了粗糙链孢霉(Neurosporacrassa)生物合成L-EGT三甲基铵基团的途径；推测L-EGT的生物合成顺序为：组氨酸经蛋氨酸转甲基作用合成组氨酸甜菜碱再经半胱氨酸巯基化作用合成L-EGT。Ishikawa等人用粗糙链孢霉无细胞提取物催化组氨酸的α-氨基氮原子甲基化，推测N-二甲基组氨酸甲基转移酶催化α-N-甲基组氨酸、α-N形成组氨酸三甲内盐，其中，二甲基组氨酸甲基转移酶负责组氨酸转化为组氨酸三甲内盐的三个转氨甲基化反应[21,22]。

在蓝细菌和厌氧绿硫细菌中，L-EGT的合成途径由两个酶EanA和EanB构成[27,28](图2中“∧”标记部分)。组氨酸在EanA酶的作用下转化为组氨酸三甲内盐，通过EanB酶直接催化生成L-EGT。而在一些真菌中，如粗糙链孢霉、裂殖酵母、烟曲霉菌及胶红酵母四种小型真菌的L-EGT合成途径与耻垢分枝杆菌、蓝细菌和厌氧绿硫细菌均不相同[29,30]，该途径由Egt1和Egt2两个合成酶构成[31-33](图2中“&”标记部分)。在这四种真菌中，Egt1将三个甲基从s-腺苷甲硫氨酸(SAM)转移到组氨酸中形成组氨酸三甲内盐，并利用氧和半胱氨酸进一步催化组氨酸三甲内盐生成海西烯半胱氨酸亚砜，最后通过Egt2催化生成L-EGT[35]。此外，真菌L-EGT生物合成途径还免除了γ-谷氨酰基-半胱氨酸的参与，从而消除了L-EGT和谷胱甘肽之间的生物合成竞争，极大提高了L-EGT的生物合成效率[36]。这些研究表明，自然界微生物的L-EGT生物合成途径是多样的，可能还存在着一些未知L-EGT生物合成方式。

图2 微生物L-EGT的生物合成途径

2 麦角硫因的摄取、代谢及分泌

植物、动物和人均不能合成L-EGT，只能从其他来源获取L-EGT。植物可吸收土壤微生物合成的L-EGT，而动物和人可从食物中获取L-EGT[37]。人体中L-EGT的主要膳食来源是蘑菇、某些品种的黑豆和红豆、内脏和谷物[38-40]。在所有的L-EGT来源中，食用菌的L-EGT含量最为丰富，但不同种类的食用菌的含量各异(见表1)。根据欧洲食品安全局估计，欧洲人群中蘑菇约占饮食摄入L-EGT含量的95%[15]。一些研究发现，膳食中L-EGT的含量对动物和人组织的L-EGT含量具有显著的影响。Kato等[41]分析了小鼠口服3H标记的L-EGT(浓度为330 ng/kg bw)后的放射性分布。口服给药4 h后，小肠上、中段的放射性浓度最高。14天后，放射性浓度最高的区域发生了改变，放射性水平依次为肝脏>肾>红细胞>肠。在大鼠的研究中，也观察到了类似的组织分布，即腹腔注射14C标记的L-EGT 4～5 h后，在肝脏中检测到20%～30%的放射性，且放射性主要集中非蛋白组织部分。同样的，在大鼠静脉注射3H标记的L-EGT24 h后，放射性水平依次为肝脏>肾>脾脏>肺>血液>睾丸>血浆。在10～19天内，大鼠口服35S标记的L-EGT后，发现肝脏的放射性水平最高，其次是血细胞和肾脏。

表1 常见食用菌L-麦角硫因含量

在脊椎动物中，有一种称为有机阳离子转运体的跨膜蛋白OCTN1(organic cation transporter 1)。通过分析大鼠和不同人体组织中的OCTN1转运蛋白mRNA水平[42,43]以及OCTN1敲除小鼠证明了OCTN1是L-EGT特异转运体[44]。哺乳动物通过OCTN1转运体从胃肠道的食物中吸收L-EGT。由于不同组织中的OCTN1的mRNA表达差异，进而影响着L-EGT在各个组织和器官中分布不均。

L-EGT在各器官和组织的代谢周转率较低。Mayumi等[48]发现，大鼠腹腔注射16 mg/kg bw的L-EGT，给药1周后，血液和肝脏中的L-EGT浓度呈线性增加。腹腔注射L-EGT后2周期间，L-EGT并没有或只是少量地从肝脏或红细胞中清除。在10名中国男性受试者中，血浆中L-EGT随着服用剂量和时间的增加而增加，在随后的4周内，全血中L-EGT浓度持续升高，并在4周左右趋于平稳。

在大鼠肝中，L-EGT浓度随着鼠龄的增长而增加，在11周时达到最大值[49]。同样，大鼠[50]和人类[51]红细胞中L-EGT随着年龄的增长而增加。雌性大鼠在出生后的第一个月到第三个月期间，它的水平增加了两倍，然后保持不变；而雄性大鼠的水平则在18个月期间一直上升[52]。

3 麦角硫因的应用研究

3.1 麦角硫因在食品中的应用

因L-EGT良好的抗氧化性，具有良好的食品保鲜效果。研究表明，用L-EGT溶液处理采后双孢蘑菇，可减缓其褐变和延长货架期[53]。Bao等[45]从金针菇中提取L-EGT水溶液可抑制大眼金枪鱼肉高铁血红生产，进一步研究发现，L-EGT水溶液可防止牛肉和金枪鱼肉的脂质过氧化，保持其色泽鲜艳[5]。利用金针菇提取的L-EGT水溶液可防止鲜虾黑变病的发生以及抑制虾肉的脂质过氧化[9]。用L-EGT水溶液处理新鲜的红海鲤和日本海鲈鱼，可保持其品质，延长红海鲤和日本海鲈鱼的货架期[6,7]。此外，在低温条件下，富含L-EGT的蘑菇提取液可抑制鲑鱼肌肉组织的脂质氧化，保持肌肉组织色泽鲜艳[11]。2016年，欧盟发布了L-EGT作为食品添加剂安全声明，为L-EGT在食品防腐保鲜中的应用拓宽了道路[54]。

3.2 麦角硫因在日化中的应用

3.3 麦角硫因在医疗中的应用

3.3.1 麦角硫因的抗氧化性

3.3.2 麦角硫因螯合金属离子

L-EGT具有螯合二价阳离子的功能。例如，L-EGT可与Cu2+、Fe2+、Zn2+、Hg2+、Co2+、Ni2+、Cd2+等金属阳离子形成配合物，并防止这些金属离子参与ROS的形成[63]。此外，L-EGT可保护DNA和蛋白质免受Cu2+诱导的氧化损伤[64]。研究表明，在动物和人类中，高水平的L-EGT可以防止Cu2+对精子活力的抑制[65]。此外，与GSH在Cu2+存在下易生成活性氧ROS(通过形成具有氧化还原活性的Cu(I)-[GSH]2配合物)相比，L-EGT与Cu2+的配合物相对稳定，不易分解生成自由基[66]。

3.3.3 神经保护作用

神经元氧化应激与抑郁症、阿尔兹海默症、抑郁症等神经系统性疾病息息相关。许多研究表明，L-EGT可以保护神经元细胞抵御多种氧化胁迫损伤。早先，人们在小鼠与大鼠的大脑中检测到L-EGT转运体OCTN1 mRNA的表达[67]。与此同时，在不同小鼠、大鼠、豚鼠、兔子、猫、羊和牛等动物大脑中检测到不同水平的L-EGT，表明L-EGT是可以穿过血脑屏障[68]。利用PC12细胞(用于神经生物学研究的细胞模型)研究发现，L-EGT通过清除该细胞中的过氧亚硝基，从而抑制Aβ淀粉样蛋白诱导细胞凋亡[69]。另一项细胞内研究发现，广谱抗癌药Cisplatin能显著降低PC12细胞的增殖，强烈抑制PCN(初级表皮神经元)细胞轴突和树突的生长，但L-EGT能显著抑制这些作用[70]。L-EGT还可抑制由Cisplatin引起的抗细胞增殖效应，恢复小鼠皮层神经元生长[71]。与Cisplatin和Aβ作用类似，过度刺激NMDA(N-甲基-D-天冬氨酸)受体能引发自由基的产生，继而导致神经元细胞死亡，而腹腔注射L-EGT可显著抑制因注射NMDA引起的大鼠视网膜神经元的损失[72]。L-EGT还可促进大鼠神经前体细胞分化[73]。此外，在小鼠FST(强迫游泳实验)和TST(悬尾实验)中，口服L-EGT可提高小鼠大脑L-EGT水平，促进神经元分化以及减轻抑郁症状[74]。

3.3.4 在慢性炎症中的作用

越来越多的证据表明许多慢性疾病与慢性炎症的发生密切相关。而细胞中重要的核转录因子NF-κB通过介导细胞因子的表达，调控机体的慢性炎症反应。Kos等[75]研究发现，L-EGT可显著下调7-酮基胆固醇诱导的脑内皮细胞hCMEC/D3中促炎症细胞因子IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α和COX2的表达，降低炎症反应。此外，Rahman等[76]研究表明，L-EGT可抑制H2O2和TNFα介导的人肺泡上皮细胞A549中NF-κB的激活和IL-8表达，降低炎症反应。富含L-EGT的鸡腿菇(Coprinuscomatus)提取物可清除髓过氧化物酶(MPO)产生的次氯酸(HOCl)和次溴酸(HOBr)以及抑制UV-B诱导的炎症反应[77]。在C2C12细胞中，L-EGT通过抑制P38信号转导以及降低炎症因子IL6水平，减少炎症反应，从而抵御棕榈酸诱导的细胞凋亡[78]。

在克罗恩氏病(Crohn’s disease，肠道炎症性疾病)患者以及类风湿性关节炎患者中，L-EGT的抗炎作用存在着争议。在2004年，Peltekova等[79]研究发现，L-EGT转运体OCTN1第503个氨基酸发生突变(即503L突变为503F)突变与克罗恩氏病有关，随后研究发现，OCTN1 503F变体比正常503L变体的L-EGT转运能力提高了50%。与正常个体相比，克罗恩氏病患者体内OCTN1 mRNA表达与L-EGT含量均显著上升。用炎症因子TNFα处理Caco2细胞可诱导TNFα受体TNFR1介导的OCTN1 mRNA表达上调[80]。然而，与之相反，Kato等[41]发现日本克罗恩氏病患者的血液L-EGT浓度显著低于正常个体；随后他们利用OCTN1敲除小鼠研究发现，缺乏L-EGT的动物容易发生肠道炎症，因此提示L-EGT可能在抗肠道炎症中发挥作用。此外，在轻度类风湿性关节炎患者的红细胞和单核细胞L-EGT水平显著升高[81]。另一项研究发现，胶原蛋白诱导关节炎小鼠在炎症关节的血液学和免疫学组织中也高表达OCTN1[82]。因此，L-EGT在克罗恩氏病以及类风湿性关节炎中的作用仍然有待于进一步研究。

3.3.5 在子痫前期中的作用

3.3.6 在心血管中的作用

L-EGT的免疫调节作用有助于抑制促炎细胞因子以及粘附分子引起动脉粥样硬化。研究表明，L-EGT可降低人主动脉内皮细胞的粘附分子VCAM-1、ICAM-1和E-selectin的表达，抑制单核细胞与内皮的结合[88]。利用缺血再灌注(ischemia reperfusion，IR)模型大鼠研究发现，L-EGT可降低IR模型大鼠血清AST、ALT和LDH水平，抑制脂质过氧化以及上调热休克蛋白HSP70水平，从而防止IR引起的肝脏损伤[89]。在大鼠肠系膜IR模型中研究发现，L-EGT通过提高HSP70水平，降低TNF-α、IL-1β、MDA和MPO含量，从而减轻肠系膜IR损伤，并改善因IR损伤后的形态学改变[90]。多项研究发现，金属螯合剂可以抑制自由基产生，缓解IR损伤，暗示L-EGT还可通过螯合金属离子减轻IR损伤[91]。然而，Cargnoni等[92]研究发现，服用L-EGT并不能保护兔子心脏IR损伤，而导致该结果可能原因是兔子服用L-EGT是在IR之前的60 min，组织尚未很好地吸收L-EGT，致L-EGT不能发挥保护IR损伤的作用。

Zn元素对人体储存胰岛素和糖原重要作用。早期的调查显示，糖尿病患者体内的L-EGT水平升高，而L-EGT可螯合Zn离子，因而认为L-EGT是糖尿病发病的元凶之一[7]。然而，四氧嘧啶诱导的糖尿病大鼠体内并没有发现L-EGT水平升高，且L-EGT处理并没有影响含Zn金属酶的活性。另外一项研究显示，小鼠成肌细胞中，L-EGT可抑制由棕榈酸诱导的胰岛素抵抗及2型糖尿病相关的IL6表达[93]。此外，补充L-EGT可降低患糖尿病的妊娠大鼠因高血糖依赖性的氧化胁迫而引起的胚胎畸形率[94]。

4 总结与展望

L-EGT是一种高效、安全、稳定的天然抗氧化剂，具有良好的自由基清除能力、螯合二价阳离子功能以及食品保鲜防腐功效。人体通过细胞膜表面有机阳离子转运体OCTN1吸收L-EGT，保护细胞免受氧化胁迫，抑制机体炎症反应、保护皮肤免受紫外胁迫等[95]。但人体从食物中获取L-EGT有限，而市面上L-EGT价格高昂，限制了人们额外补充L-EGT。目前化学方法合成L-EGT困难，且存在产品安全性难以保证、合成原料及成本高昂等缺点。从富含L-EGT的食用菌中提取存在提取效率低、耗费时间长、难以大规模制备等问题，依然不能从根源上解决L-EGT产量不足。当前已经解析了细菌和真菌的L-EGT生物合成途径，未来应当利用基因工程手段构建稳定高产L-EGT工程菌，并结合现代化绿色低碳发酵技术实现L-EGT规模化生产，从根本上降低L-EGT生产成本。

鉴于L-EGT具有预防和治疗癌症、心血管疾病、认知功能障碍等疾病的潜力，但缺乏有力的临床实验数据，应进一步加强对L-EGT临床试验研究。