FSHW | 巖藻黃素通過增強(qiáng)FADS2酶活性促進(jìn)DHA內(nèi)源性合成

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01

Introduction

多不飽和脂肪酸（PUFAs）根據(jù)雙鍵位置的不同，分為n-3系列和n-6系列兩類，在哺乳動物體內(nèi)二者之間不能相互轉(zhuǎn)化。二十二碳六烯酸DHA是人體內(nèi)主要的n-3 PUFA，對生命健康的維持發(fā)揮重要作用，其生物功能包括改善代謝類疾病、抑制炎癥反應(yīng)、強(qiáng)化母嬰健康以及促進(jìn)大腦發(fā)育和健康等方面。

在日常膳食中，n-3 PUFAs主要來源于陸生植物中的α-亞麻酸（ALA）和水產(chǎn)食品中的EPA、DHA，營養(yǎng)學(xué)上，因ALA在體內(nèi)可經(jīng)鏈延長反應(yīng)轉(zhuǎn)化為DHA而被稱為必需脂肪酸。但在現(xiàn)代人類膳食中ALA的攝入量普遍較低，并且ALA轉(zhuǎn)化為DHA的效率低下，探索食物成分促進(jìn)PUFAs的鏈延長反應(yīng)提高ALA轉(zhuǎn)化為DHA的能力是本領(lǐng)域研究的難題。

巖藻黃素（FX）是海洋藻類中含量最豐富的類胡蘿卜素，其天然產(chǎn)量豐富，超過總類胡蘿卜素的10%。FX通過膳食進(jìn)入體內(nèi)后，在消化道中胰腺或腸細(xì)胞分泌的脂肪酶和羧酸酯酶的作用下發(fā)生水解反應(yīng)，失去乙酰基后轉(zhuǎn)化為巖藻黃醇（FOH）隨后被機(jī)體吸收，二者的化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖所示。FX能夠增加KK-Ay小鼠肝臟中的DHA水平，但FX對不同組織器官中DHA水平的促進(jìn)作用，以及FX對PUFAs鏈延長反應(yīng)的影響尚不清楚，尤其是對與n-3 PUFAs共用酶系的n-6 PUFAs鏈延長反應(yīng)的影響尚未有報道。本研究通過構(gòu)建PUFAs缺乏小鼠模型，研究FX及其代謝物FOH對n-3和n-6 PUFAs鏈延長反應(yīng)的影響，并從轉(zhuǎn)錄水平和酶活性水平探討其機(jī)制。本研究結(jié)果有望豐富FX活性研究的理論基礎(chǔ)，為探索DHA膳食補(bǔ)充策略提供科學(xué)依據(jù)。

02

Results

FX與FOH對n-3 PUFAs鏈延長反應(yīng)的影響

如下圖所示，灌胃ALA 24 h后，F(xiàn)X和FOH均使小鼠血清、肝臟、小腸壁和心臟中的EPA和DHA水平升高。AFX組和AFOH組連續(xù)灌胃ALA 3 d后，各組織中EPA和DHA水平進(jìn)一步升高。小腸壁中n-3 PUFAs水平的增加最為顯著，與ALA組相比，AFX組小腸EPA和DHA分別升高了107%和122%，AFOH組小腸EPA和DHA分別升高了105%和114%。FX和FOH的作用無顯著差異。結(jié)果表明，膳食補(bǔ)充FX和FOH均能提高ALA在組織中向EPA和DHA的轉(zhuǎn)化和蓄積量，且呈時間和劑量依賴性。

圖1 FX對

n

由于FX和FOH對ALA在組織中向EPA、DHA的轉(zhuǎn)化表現(xiàn)出相同的效果，所以只考察了FX對n-6 PUFAs鏈延長反應(yīng)的影響，結(jié)果如下圖。在灌胃LA乳劑24 h后，與LA組相比，F(xiàn)X使血清、肝臟、小腸壁和心臟中的AA水平分別增加了30.6%、81.1%、116%與7.52%。隨著灌胃次數(shù)的增加，LFX組小鼠血清和心臟中AA水平持續(xù)升高，且顯著高于LA組。連續(xù)灌胃3 d后，LFX組小腸壁中AA水平較LA組增加了105%，但與24 h相比差異無統(tǒng)計學(xué)意義。結(jié)果表明，LA灌胃后，F(xiàn)X能夠使不同組織中AA水平升高，但隨著灌胃次數(shù)的增加，各組織中AA水平呈現(xiàn)不同的趨勢。

圖2 FX對大腦DHA補(bǔ)充速率的影響

大腦是人體DHA最豐富的組織之一，利用腦內(nèi)n-3 PUFAs缺乏的小鼠模型，探究了FX對腦內(nèi)DHA補(bǔ)充速率的影響。如下圖所示，母系、哺乳期和斷奶3周飲食中n-3 PUFAs缺乏后，血清EPA和DHA水平已經(jīng)低于檢測限，F(xiàn)X干預(yù)4 d后仍然沒有增加。這表明單獨(dú)的FX干預(yù)不能增加血清DHA和EPA的含量。同時喂養(yǎng)FX和ALA的小鼠14 d時EPA和DHA水平比ALA組分別顯著增加22.8%和21.3%，并分別達(dá)到正常水平的2.92倍和92.1%。提示FX顯著促進(jìn)ALA的鏈延長反應(yīng)，增加血清中EPA和DHA的水平，且EPA的補(bǔ)充速度大于DHA。

進(jìn)一步對不同腦區(qū)的DHA水平進(jìn)行分析，結(jié)果如下圖所示。當(dāng)小鼠缺乏n-3 PUFAs時，與其他腦區(qū)相比，大腦皮層的脂肪酸組成變化最顯著，DHA水平下降幅度最大，約為正常水平的30%。FX單獨(dú)干預(yù)后各腦區(qū)脂肪酸組成無明顯改變。同時補(bǔ)充ALA和FX觀察到，F(xiàn)X顯著提高了皮質(zhì)、海馬和丘腦的DHA補(bǔ)充速率且不同腦區(qū)DHA補(bǔ)充率不同，在同一干預(yù)時間，皮質(zhì)中的DHA水平上升最慢。值得注意的是，干預(yù)14 d后，各腦區(qū)DHA水平仍保持上升趨勢，尚未達(dá)到穩(wěn)定階段。

圖3 FX對PUFAs鏈延長反應(yīng)促進(jìn)作用的機(jī)制探究

肝臟是體內(nèi)合成多不飽和脂肪酸最重要的器官之一，對FX干預(yù)小鼠肝臟中相關(guān)酶FADS1、FADS2、ELOVL2、ELOVL5、ACOX1的mRNA表達(dá)水平進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，與單獨(dú)添加ALA或LA組相比，F(xiàn)X和FOH有降低鏈延長相關(guān)酶mRNA表達(dá)水平的趨勢，但無統(tǒng)計學(xué)意義。即FX促進(jìn)PUFAs去飽和反應(yīng)的作用不是通過調(diào)節(jié)鏈延長反應(yīng)相關(guān)酶的轉(zhuǎn)錄水平實(shí)現(xiàn)的。

利用分子對接對FOH與脂肪酸脫氫酶FADS2進(jìn)行結(jié)合力分析。FOH作為配體與FADS2對接的結(jié)果顯示FOH可以通過氫鍵與FADS2的活性位點(diǎn)結(jié)合，表明FOH是FADS2的潛在配體。而ALA與FOH-FADS2偶聯(lián)物的對接，相比于ALA與FADS2的對接，產(chǎn)生了更低的對接能量，這意味著FOH可能通過降低ALA與FADS2結(jié)合所需的能量來促進(jìn)ALA與FADS2的更多相互作用。

圖4 分子對接圖

進(jìn)一步從小鼠肝臟中分離出PUFAs鏈延長反應(yīng)的主要亞細(xì)胞器微粒體，加入0.1 mmol/L FOH和不同的脂肪酸，以脂肪酸轉(zhuǎn)化效率表示鏈延長相關(guān)酶的活力，結(jié)果見下表。以n-3系列ALA為反應(yīng)底物時，加入FOH使微粒體中的DHA/ALA比值顯著提高44.5%。以n-6系列LA為底物時，F(xiàn)OH將微粒體中的AA/LA比值顯著提高40.0%。以n-6系列GLA（LA經(jīng)FADS2催化得到）為底物時，F(xiàn)OH對微粒體GLA/AA比值沒有顯著影響。以上數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)OH可以顯著增加n-3系列和n-6系列PUFA分別向DHA和AA的轉(zhuǎn)化。通過比較GLA和LA到AA的生化過程和轉(zhuǎn)化效率，可以得出FOH對鏈延長的促進(jìn)作用可能是由于對FADS2酶活性的調(diào)節(jié)。

03

Conclusion

綜上所述，本研究通過構(gòu)建n-3和n-6 PUFAs缺乏的小鼠模型，探討了巖藻黃素對n-3和n-6 PUFAs鏈延長的影響。結(jié)果表明，巖藻黃素和巖藻黃醇顯著增加小鼠血清、肝臟、小腸和心臟中n-3系列ALA向DHA和n-6系列LA向AA的轉(zhuǎn)化，提高了腦內(nèi)DHA水平。機(jī)制研究表明，巖藻黃素促進(jìn)PUFAs去飽和反應(yīng)并非在轉(zhuǎn)錄水平上發(fā)揮作用，而是通過直接影響鏈延長反應(yīng)關(guān)鍵酶FADS2活性實(shí)現(xiàn)的。本研究為探索食物成分促進(jìn)內(nèi)源性DHA生物合成的研究提供了科學(xué)依據(jù)。

第一作者

李曉月，中國海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程專業(yè)博士生，2020.06獲中國海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程專業(yè)本科學(xué)位，連續(xù)三年獲得國家勵志獎學(xué)金；2020.09直博保送至本校攻讀博士學(xué)位。主要研究方向為水產(chǎn)化學(xué)與食品營養(yǎng)，主攻小分子化合物的構(gòu)效關(guān)系與分子機(jī)制，如甾類、胺類化合物。截止目前，累計發(fā)表SCI論文17篇，其中第一作者4篇，以第二發(fā)明人（導(dǎo)師為第一發(fā)明人）申請專利2項，其中《磷脂型DHA與EPA在促進(jìn)毛發(fā)生長制品中的應(yīng)用》已獲授權(quán)并轉(zhuǎn)化。

通信作者

王玉明，博士、教授、博導(dǎo)，日本佐賀大學(xué)學(xué)士、碩士，日本鹿兒島大學(xué)博士，日本學(xué)術(shù)振興會博士后，先后獲JSPS外國人特別研究員獎、美國油脂化學(xué)年會獎、日本油化學(xué)會“JOCS Young Fellows Award”獎，入選教育部“新世紀(jì)人才支持計劃”。主持及參與國家級省部級課題20余項。發(fā)表科學(xué)論文300余篇，其中SCI論文200余篇，參編著作13部，6個SCI國際期刊編委。兼任山東省營養(yǎng)學(xué)會常務(wù)理事，山東營養(yǎng)學(xué)會食物營養(yǎng)專委會副主任委員。主要研究方向為海洋食品營養(yǎng)與慢病預(yù)防、營養(yǎng)保持技術(shù)、功能性食品。

通信作者

張?zhí)裉?/strong>，博士、副教授、碩導(dǎo)。中國海洋大學(xué)“青年英才工程”人才，美國羅格斯大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士。主持國家級、省部級課題7項，產(chǎn)學(xué)研合作項目2項；以第一或通訊作者發(fā)表SCI論文80余篇，其中封面文章8篇；獲授權(quán)國家發(fā)明專利17項，參編著作4部。主要研究方向為海洋食品營養(yǎng)，包括功效成分健康效應(yīng)與作用機(jī)制、消化吸收與代謝規(guī)律、相互作用及協(xié)同增效等。

Fucoxanthin promotes the chain lengthening reaction of polyunsaturated fatty acids in vivo by enhancing FADS2 enzyme activity

Xiaoyue Lia,1, Tianxin Yanga,1, Yingcai Zhaoa, Chengcheng Wanga, Changhu Xuea, Teruyoshi Yanagitab, Yuming Wanga,*, Tiantian Zhanga,*

a SKL of Marine Food Processing & Safety Control, College of Food Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266404, China

b Laboratory of Nutrition Biochemistry, Department of Applied Biochemistry and Food Science, Saga University, Saga 8408502, Japan

1 Both authors contributed equally.

*Corresponding author.

Abstract

Alpha-linolenic acid (ALA) is capable of synthesizing eicosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA) in vivo, but the conversion rate is hard to meet the body's need for rapid DHA supplementation. Studies have shown that fucoxanthin can increase DHA content in the liver of mice, but the mechanism is not clear. Moreover, the effect of fucoxanthin and its metabolite fucoxanthinol on the chain lengthening reaction of n-6 polyunsaturated fatty acids (PUFAs) is little studied. In this study, the effects of fucoxanthin and fucoxanthinol on the chain elongation of n-3 and n-6 series PUFAs were investigated in mice. Results showed that fucoxanthin and fucoxanthinol significantly increased the conversion of n-3 series ALA to DHA and n-6 series linolenic acid (LA) to arachidonic acid (AA) in the serum, liver, small intestine, and heart of mice. In addition, fucoxanthin accelerated the rate of DHA supplementation by ALA in the brain. Further mechanistic studies revealed that the role of fucoxanthin in promoting PUFAs conversion was not regulated at transcriptional level, but by increasing the activity of fatty acid desaturase 2 (FADS2), a key enzyme of chain elongation reaction of n-3 and n-6 PUFAs. This study fundamentally provided theoretical bases for a new strategy of dietary supplementation of n-3 and n-6 PUFAs.

Reference:

LI X Y, YANG T X, ZHAO Y C, et al. Fucoxanthin promotes the chain lengthening reaction of polyunsaturated fatty acids

in vivo