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生物活性物质研究之线虫模型

2023-05-08 17:05



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随着社会经济的发展以及物质生活水平的提高,吃得“好”逐渐成了众人关注的焦点。我们所食用的食品有哪些生物活性成分,对健康又有哪些好处呢?科学研究源于生活,最终要服务、应用于人类。因此,对食品衍生的生物活性化合物的研究,势必成为当前科研的热潮和趋势所在。生物活性化合物是指在自然界中发现并对人类健康有积极影响的化合物。研究发现,它们参与缓解肥胖、糖尿病和血脂异常等慢性疾病,并表现出神经保护及其他促进健康的作用[1]。最初,科学家们只在植物中发现它们的身影。而时至今日,研究人员也在非植物来源(如鱼、牛奶和可食用昆虫)中发现了生物活性化合物[2]。以前,生物活性化合物的发现和研究大多通过体外实验或者使用一些小鼠和大鼠的体内模型。虽然体外模型作为评估生物活性潜力的初步研究是有用的,但还需要在体内研究中来进一步证明食品衍生化合物的生物活性作用。然而,许多常用的体内模型存在成本昂贵,耗时长等问题,所以研究人员便将目光锁定在了如秀丽线虫等更实用的模型上。在本文中,我们对近二十年来在线虫身上开展的生物活性物质研究进行简单的陈述。



线虫在生物活性肽研究中的应用

从食物蛋白中被鉴定出来的生物活性肽,对减少高血压、炎症、Ⅱ型糖尿病、微生物感染、免疫紊乱和氧化等方面有潜在影响[3]。生物活性肽隐藏在蛋白质的一级结构或氨基酸序列中,当整个蛋白质完整时,其保持无活性状态。然而,通过部分肽键的裂解或蛋白质水解,某些具有生物活性的肽就会被释放并产生活性。蛋白质水解既可以发生在胃肠道消化过程中,也可以通过使用外源性的商业蛋白酶进行[4],还可以通过微生物酶的发酵产生[5]。大多数生物活性肽具有长度约为2-20个氨基酸的共同结构,其中很大一部分是疏水残基。科学家们通过对生物活性肽的广泛研究,证明它们对消化、内分泌、心血管、免疫和神经系统都会产生影响。

以线虫为模型的食物肽研究中,最广泛被提及的生物活性之一就是抗氧化作用。研究人员发现,当参与IIS通路的转录因子SKN-1被激活时,便会产生抗氧化作用。在人类中该基因的同源物是一个众所周知的抗氧化基因——NRF2。图1是利用秀丽隐杆线虫评价食品衍生生物活性肽抗氧化特性的实验设计流程图:通过计算活虫和死虫的数量来评估平均寿命;进行ROS的测定;从裂解线虫中分离出RNA并转录成cDNA,通过RT-PCR检测基因表达。

图1  活性肽抗氧化特性的实验流程图

食物肽减肥功效的探索同样是目前炙手可热的主题,研究发现线虫中有305个基因的失活会导致体脂减少,112个基因的激活会导致体脂增加[6],其中许多的信号途径在线虫和人类之间是保守的。脂滴是线虫体内主要的脂肪储存细胞器,可以通过油红或尼罗红亲脂性染料染色来可视化和量化线虫脂肪积累。目前,上源生科也正准备将尼罗红染色实验项目推向市场,服务于广大的科研工作者。

此外,研究者通过构建转基因线虫如:GMC101和CL4176线虫株(携带β-淀粉样肽的基因),可以模拟生物活性肽保护β-淀粉样肽毒性和抗阿尔茨海默病的能力。详见表1。

表1   生物活性肽的研究数据(部分)



线虫在生物活性碳水化合物研究中的应用

酚是植物中最丰富的一类化合物,是植物内部的次生代谢物,其特征是结构中存在一个或多个芳香环,且至少有一个羟基[7]。众所周知,它们参与结构支持、抵御紫外线(UV)辐射、防御食草动物、抑制附近植物的生长以及植物系统中其他许多重要的功能[7]。酚类化合物的结构不仅导致其在植物中发挥作用,在人体中它们也能够发挥作用。研究发现这些酚类化合物参与了酶的抑制、基因的修饰、蛋白质的磷酸化以及其他细胞调控。

酚类化合物最被广泛认可的生物活性与它们的抗氧化能力有关,而利用线虫研究食品中酚类化合物的减肥特性也有报道。与生物活性肽一样,酚类化合物也被报道参与降低β-淀粉样蛋白的毒性,从而预防阿尔茨海默病。某些酚被发现可以减少β-淀粉样蛋白的低聚化,并减少由这些低聚物引起的突触功能障碍。相关研究内容详见表2。

表2   酚类化合物的研究数据(部分)



线虫在生物活性碳水化合物研究中的应用

碳水化合物最著名的生物活性特性之一是它们能够在减肥方面发挥作用,如膳食纤维的摄入会增加饱腹感,从而减少其他食物的摄入,起到减肥的效果。

碳水化合物也被认为参与了体外和体内的抗氧化活性。研究发现,许多已知的抗氧化化合物,如维生素C在小肠中会附着在膳食纤维上,一旦这些膳食纤维和抗氧化剂到达结肠,它们就会相互释放[8]。虽然这种情况发生在许多膳食纤维中,但并不是所有的碳水化合物都有这种机制。

最近,研究人员已经着力于探究某些天然和合成碳水化合物的抗菌特性。随着微生物抗生素耐药性的增加,寻找新的抗生素来源是大势所趋。一项研究使用了一种来自海藻(非盐酸藻)的长链硫酸多糖——褐藻多糖,来确定其抗菌性能。当线虫暴露在含有幽门螺杆菌和褐藻糖的环境中,线虫消化道中的幽门螺杆菌浓度比对照组(未接触褐藻糖的线虫)要低得多,这使得线虫可以更长寿。这项研究是首次有论文证明线虫也可以作为评价碳水化合物抗菌活性的模型。部分相关研究内容详见表3。

表3   碳水化合物的研究数据(部分)



线虫在生物活性脂质研究中的应用

脂肪酸的生物活性取决于链的长度和不饱和的程度。长链脂肪酸,即饱和脂肪酸,通常不被认为具有生物活性。相反,某些较短链的不饱和脂肪酸可以发挥生物活性作用。

2020年L´ opez-García等人在线虫的饮食中添加了一种富含植物甾醇的饮料,结果表明其可以延长线虫的寿命。虽然与其他生物活性化合物相比,使用脂质作为抗氧化剂的研究并不多,但仍有确凿证据表明许多脂质在体内确实显示出抗氧化活性。另外,脂质是脂肪积累和肥胖的主要原因,但某些脂质也有助于防止肥胖,这项研究也在线虫中紧锣密鼓地进行着,部分研究内容详见表4。

表4   脂质的研究数据(部分)

当然,在以线虫为模型的研究中也存在一些挑战,比如染菌等问题,但如果在实验过程中做好预防措施等,线虫仍然是研究食物化合物生物活性特性的一个很好选择。在未来,线虫可能会更频繁地用于对食物衍生化合物的抗癌、抗菌和神经保护作用的体内初步研究。




参考文献

[1] Teodoro, A.J., 2019. In: Bioactive Compounds of Food: Their Role in the Prevetion and Treatment of Disease, vol. 2019. Hindawi.

[2] Chen, H., Wang, S., Zhou, A., Miao, J., Liu, J., Benjakul, S., 2020. A novel antioxidant peptide purified from defatted round scad (Decapterus maruadsi) protein hydrolysate extends lifespan in Caenorhabditis elegans. J. Funct.Foods 68, 103907.

[3] Udenigwe, C.C., Aluko, R.E., 2012. Food protein-derived bioactive peptides: production, processing and potential health benefits.

[4] Li-Chan, E.C., 2015. Bioactive peptides and protein hydrolysates: research trends and challenges for application as nutraceuticals and functional food ingredients. Curr. Opin. Food Sci. 1, 28–37.

[5] Beermann, C., Hartung, J., 2013. Physiological properties of milk ingredients released by fermentation. Food Funct. 4 (2), 185–199.

[6] Ashrafi, K., 2007. Obesity and the regulation of fat metabolism. Worm 1–20.

[7] Nino, M., Reddivari, L., Osorio, C., Kaplan, I., Liceaga, A., 2021. Insects as a source of  phenolic compounds and potential health benefits. J. Insect. Food. Feed. 1–12.


原文链接:

Caenorhabditis elegans as an in vivo model for food bioactives: A review

https://doi.org/10.1016/j.crfs.2022.05.001

撰稿:郑惠

审核:陈岚彬

编辑:刘乐丰