N-氨甲酰谷氨酸缓解猪肠道氧化应激的研究进展

Research Progress of N⁃Carbamoyl Glutamate in Alleviating Intestinal Oxidative Stress in Pigs

氧化应激是机体氧化还原系统被破坏的一种生理状态，引起活性氧自由基在体内累积，进而氧化DNA､脂质､蛋白质等分子的不饱和结构，导致机体代谢紊乱。肠道是机体与外界环境进行物质､信息交换的主要场所，易受环境中有害菌､病毒等因子刺激，使细胞线粒体内活性氧含量急剧增加，造成肠道氧化还原系统失衡，对动物生产性能､生理机能造成不利影响，严重时可导致坏死性肠炎､溃疡等多种肠道疾病发生，制约猪的正常生长。N-氨甲酰谷氨酸与N-乙酰谷氨酸可激活线粒体中氨基甲酰磷酸合成酶-Ⅰ和吡咯啉-5-羧酸合成酶，促进谷氨酰胺和脯氨酸合成瓜氨酸，而瓜氨酸是合成精氨酸的主要前体，进而促进精氨酸的内源合成。近些年，以仔猪､大鼠､羔羊为试验动物时，发现NCG在提高机体抗氧化能力､缓解肠道氧化应激方面发挥关键作用。因此，本文总结了NCG缓解肠道氧化应激的可能机理及在生猪生产中的一些应用进展。

在规模化养殖环境下，氧化应激是引起猪生产性能降低的主要因素之一。核因子E2相关因子2（Nrf2）和谷胱甘肽是细胞内氧化还原平衡的主要调节因子，同时也是介导肠道氧化应激反应的主要代谢途径。Zhang等在羔羊的研究发现，NCG可以提高肠道Nrf2和谷胱甘肽过氧化物酶（glutathioneperoxidase，GSH⁃Px）的表达，同时其与精氨酸代谢关系密切。因此，一般认为NCG是通过介导肠道精氨酸的代谢反应，从而调节机体的氧化还原状态。

1.1 NCG促进精氨酸合成缓解肠道氧化应激

Ahmad等研究发现，ROS和丙二醛（ma⁃londialdehyde，MDA）积累与精氨酸的摄入量呈显著负相关，表明精氨酸可以参与清除ROS的反应过程。而对于幼龄仔猪而言，线粒体内NAG浓度较低，造成精氨酸合成限速酶P5CS的表达受到抑制，相应地限 制了肠道精氨酸的合成效率。然而，NCG具备与NAG相似的代谢途径，可以在肠道内激活P5CS，从而促进精氨酸的稳定合成。精氨酸属于碱性氨基酸，其孤电子对位于胍基基团，与ROS结合后，可以影响机体的氧化还原状态。

目前，Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1（KelchlikeECHassociatedprotein1，Keap1）/Nrf2信号通路被认为是缓解猪肠道细胞氧化损伤的重要途径，在正常生理状态下，Keap1可以快速分解Nrf2。Liang等研究表明，精氨酸可抑制大鼠肠道Keap1和泛素连接酶3（CULLIN3）基因的表达，从而抑制Keap1识别和降解Nrf2，提高Nrf2入核数量；Nrf2也可通过提高谷氨酸半胱氨酸连接酶（glutamatecysteineligase，GCL）和谷氨酸半胱氨酸连接酶（glutamatecysteineligase，GCL）等谷胱甘肽合成酶基因的表达，相应地促进GSH的合成。此外，Mo等研究发现，精氨酸能够上调大鼠脾脏的哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mechanistictargetofrapamycinkinase，mTOR）基因表达，而mTOR是Nrf2的上游信号分子，可能正向调控Nrf2的表达。此外，Um等研究表明，一氧化氮（NO）也可诱导细胞中Nrf2的表达，可能是通过激活蛋白激酶C（proteinkinaseC，PKC），进而促进Keap1的S-亚硝化，提高Nrf2的表达量。同时，NCG可促进育肥猪机体NO的生成，但是否能激活PKC介导Nrf2的表达还有待进一步研究。因此，一般认为NCG可以介导精氨酸的合成，进而影响Keap1/Nrf2信号通路关键蛋白的表达，从而相应地缓解肠道氧化反应（图1）。

NCG：N-氨甲酰谷氨酸；N⁃carbamyl glutamate；Arg：精氨酸arginine；mTOR：哺乳动物雷帕霉素靶蛋白mammalian target of rapamycin；Nrf2：核因子E2相关因子2 nuclear factor erythroid 2⁃related factor 2；SOD：超氧化物歧化酶superoxide dismutase；CAT：过氧化氢catalase；GSH⁃Px：谷胱甘肽过氧化酶glutathione peroxidase。

图 1. NCG 介导 Nrf2 信号通路缓解肠道氧化应激

1.2 NCG介导谷胱甘肽合成途径缓解肠道氧化应激

谷胱甘肽是谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽，同时也是动物细胞中含量丰富的一类小分子硫醇，在清除自由基、阻止脂质过氧化、降低线粒体DNA损伤等方面发挥作用。谷胱甘肽抗氧化系统是由谷胱甘肽还原型（GSH）和氧化型（GSSG）组成，通过2种形式之间的相互转换调节细胞氧化还原平衡。GSH在GSH⁃Px或谷胱甘肽转移酶（glutathioneS⁃transferase，GST）的作用下，与ROS和脂质过氧化物发生反应后，被氧化为GSSG；而GSSG在谷胱甘肽还原酶（glutathionere⁃ductase，GR）的作用下被还原成GSH。肠道受到大量ROS胁迫时，GSH与GSSG的动态平衡被打破，引起机体的氧化反应，研究表明，NCG可调控谷胱甘肽抗氧化系统，参与清除肠道中的ROS，保护肠上皮细胞免于氧化损伤。

Mo等研究发现，氧化应激大鼠饲喂NCG后，能够提高肠道GR的活性，相应地促进GSSG还原为GSH。Zhang等也在报道中指出，NCG可提高空肠GSH⁃Px的活性，增强机体清除ROS和MDA的能力。另外，GCL和GS是GSH合成的关键限速酶，GSH合成酶的激活被认为在调控氧化应激中发挥关键作用。Zhang等研究发现，羔羊哺乳期添加NCG，GSH和GSH/GSSG比值在十二指肠､空肠､回肠中的数值显著提高，同时小肠MDA含量显著降低，相应地介导机体的氧化状态。然而，关于NCG在调控猪肠道谷胱甘肽合成的研究相对较少。

1.3 NCG介导NO代谢途径缓解肠道氧化应激

NO是机体分布广泛的信号分子，在许多生理和病理过程中发挥着关键的调控作用。有研究表明，NO在机体代谢中可以清除ROS，在肠道内，NO与超氧阴离子（O-2）反应后，生成了过氧亚硝酸盐（ONOO-），之后转化为NO^-₂和NO^-₃，从而排出体外。另外，NO也是重要的血管扩张剂。在乙酰胆碱作用下，NO由血管内皮细胞释放出来，相应地降低了血管张力，缓解了氧化应激引起的肠道缺氧问题。此外，NO代谢途径还可激活抗氧化相关因子，调控机体和细胞的氧化应激反应。在机体中，精氨酸､还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamideadeninedinucleotidephosphate，NADPH）和氧气在一氧化氮合酶（nitricoxidesynthase，NOS）的催化下合成NO，而NOS是NO的唯 一限速酶；在肠道精氨酸缺乏的情况下，NOS可以催化氧气生成O^-2，增加ROS的产生。Cai等研究发现，NCG可通过精氨酸-NO途径提高猪肠道内皮型一氧化氮合酶（endo⁃thelianitricoxidesynthase，eNOS）的表达水平，促进机体NO生成。

2.1 NCG用于缓解母猪氧化应激

由于猪缺乏功能性汗腺､体重较大且皮下脂肪较厚，阻碍了自身向外分散热量，造成体内积热，诱发热应激。在母猪妊娠后期和哺乳期，由于机体代谢旺盛而更易出现热应激。热应激导致母猪采食量下降､代谢耗能增加，从而导致能量负平衡，使得线粒体功能负荷增加，进而导致氧化应激。氧化应激损伤了母猪机体健康，从而直接或间接地对卵子及胚胎发育产生不良影响，抑制了母猪繁殖性能的发挥。也有研究发现，NCG可以缓解由于氧化应激引起的母猪繁殖性能下降。

Zhu等研究发现，初产母猪妊娠前期补充NCG，增加了子宫血流量，显著提高妊娠28d胚胎着床数和胚胎存活数，显著降低胚胎死亡率，提高胚胎着床和发育相关的蛋白表达，也上调了eNOS､过氧化还蛋白6（peroxiredoxin6，PRDX6）､热休克蛋白70（heatshockprotein70，Hsp70）等与抗氧化相关蛋白的表达，表明NCG可以缓解母猪的氧化应激反应。Feng等报道指出，在母猪妊娠后期和哺乳期添加0.05%NCG，可提高仔猪初生窝重和平均活仔重，以及降低母体循环中的MDA和皮质醇含量。Liu等在母猪宫内生长受限（IUGR）的研究中发现，在妊娠期母猪饲粮中添加NCG，可提高脐静脉血管内皮生长因子A（vascularendothelialgrowthfactorA，VEGF⁃A）和eNOS基因的表达，提高脐静脉运输氧气和营养物质的能力，缓解母猪氧化应激引起的宫内生长受限。

2.2 NCG用于缓解仔猪氧化应激

仔猪在出生和断奶阶段由于环境突然变化易导致氧化应激。在出生阶段，由从子宫内低氧迅速转变到子宫外高氧的环境中，造成胎儿呼吸系统的线粒体产生大量ROS，然而，新生仔猪体内NAG活性较低，体内抗氧化系统无法完全清除ROS。而在14日龄左右，仔猪机体的NAG活性恢复至正常水平；28日龄断奶阶段，仔猪面临了营养､心理､环境等多种应激叠加，机体抗氧化酶活性显著下降，肠道发生了较高的氧化应激反应，而内源精氨酸的合成量仍不足以清除断奶阶段产生的大量ROS。研究发现，氧化应激会破坏仔猪肠道形态和免疫功能，对肠道的损伤作用可以一直延续至成年猪阶段，而NCG可直接促进仔猪内源精氨酸的合成，有利于缓解仔猪生理阶段的氧化应激。

Cai等报道指出，在妊娠早期母猪饲粮中添加0.05%NCG，可改善羊水和血清中谷胱甘肽代谢，缓解ROS对胚胎的胁迫，终保护胚胎免受氧化应激。Zhang等探究了在大肠杆菌应激条件下，NCG对新生仔猪肠道黏膜免疫功能的影响，发现灌服50mg/kg BW NCG提高了血浆精氨酸和黏膜分泌型免疫球蛋白（SIgA）含量，降低了肠道MDA和过氧化氢含量，从而提高了肠道抗氧化能力和免疫功能。由于NCG在新生仔猪上的应用较少，而补充NCG或精氨酸均可以提高血浆精氨酸含量，且NCG的半衰期较长，相较于精氨酸，能持续稳定增加内源精氨酸的合成。此外，在饲粮中使用NCG，还可以避免精氨酸与其他碱性氨基酸吸收时的拮抗作用。

Wu等研究表明，在断奶仔猪饲粮中添加NCG后，肠道HSP70在mRNA和蛋白质水平上的表达都得到了增强，相应地减少肠道应激反应，从而提高仔猪的生长性能。Yang等研究发现，在21日龄断奶的环江小型猪为研究对象时，饲粮中添加0.1%NCG，血浆精氨酸含量显著提高，空肠溶质载体家族6成员19（solutecarrierfamily6member19，Slc6a19）､溶质载体家族7成员9（solutecarrierfamily7member9，Slc7a9）和溶质载体家族1成员1（solutecarrierfamily7mem⁃ber9，Slc1a1）的mRNA丰度显著提高，相应地影响断奶仔猪肠道的消化吸收能力。

2.3 NCG用于缓解生长育肥猪氧化应激

在生长育肥猪阶段，猪舍饲养密度和卫生､冷热应激､运输应激和真菌毒素等均会引起氧化应激反应，严重时引起生长育肥猪生长性能下降､肉品质受损和货架期缩短等问题。目前，围绕NCG缓解生长育肥猪氧化应激的研究报道较少，主要集中在调控生长育肥猪的肉品质方面。Yi等研究表明，在生长育肥猪饲粮中添加1%精氨酸可缓解热应激导致的肠道损伤，提高空肠上皮细胞黏蛋白-2､闭锁小带蛋白-1（ZO⁃1）､阻滞素蛋白的表达，改善了生长育肥猪小肠的屏障功能。Ye等报道指出，低蛋白质饲粮添加NCG后，显著提高了肥育猪的无脂瘦肉增重，同时增加了背长肌的亮氨酸含量。Xing等研究发现，NCG可以减少宁乡猪皮下脂肪沉积，提高背长肌油酸､α-亚麻酸和泡桐酸的含量，降低花生四烯酸含量，提升宁乡猪肉品质。

综上所述，NCG在维持猪肠道精氨酸稳态､调控肠道氧化平衡状态等方面发挥重要作用，可以缓解由于氧化应激带来的不同阶段猪生产性能下降等问题。由于精氨酸在胃中降解率高，需要包被，导致其使用成本较高。NCG相较于精氨酸在胃液降解率低，添加量小，生产成本低，且不易与赖氨酸､组氨酸等碱性氨基酸产生拮抗作用。然而，NCG在缓解单胃动物氧化应激､调控肠道细胞增殖的研究较少，此外，大多数研究局限于NCG对精氨酸的调控作用，对于NCG调控精氨酸合成以外的机制几乎没有涉及。随着生物技术手段的不断发展，进一步探索NCG调控单胃动物肠道氧化应激的分子作用机制，有助其更好地应用于畜禽生产。

参考文献 略