《食品科學》：淮南師范學院王云教授等：基于秀麗隱桿線蟲高糖模型鑒定茶氨酸的修復功效

現(xiàn)代生活方式普遍伴隨高糖飲食習慣，已構成嚴重的公共健康威脅，顯著增加了代謝性疾病的發(fā)病風險，如肥胖、II型糖尿病及心血管疾病等。天然植物來源的生物活性物質因在改善代謝健康方面的巨大潛力而備受關注。

茶氨酸是一種存在于茶葉中的非蛋白氨基酸，具有多種生物活性，包括抗氧化、抗炎以及神經保護作用。有研究表明，茶氨酸能夠通過調節(jié)免疫系統(tǒng)功能、減輕機體氧化應激損傷，從而在模式生物中展現(xiàn)出延長壽命的效應。

秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）作為一種經典的模式生物，憑借其與人類基因組高度同源性（約60%～80%）、核心代謝通路（包括糖脂代謝）高度保守、生命周期短、實驗操作便捷等諸多顯著優(yōu)勢，已成為研究糖脂代謝調控及相關疾病機制的理想模型。

淮南師范學院生物工程學院的蓋停停、王云*，淮南師范學院化學與材料工程學院的張連鳳等擬利用高糖飲食誘導的秀麗隱桿線蟲糖代謝損傷模型，篩選并確定茶氨酸發(fā)揮最佳修復效應的適宜濃度范圍，并結合分子生物學手段評估其對線蟲生長發(fā)育、繁殖能力、氧化應激及相關基因表達的影響，解析茶氨酸干預糖代謝損傷的分子機制。本研究旨在深入理解茶氨酸調節(jié)糖代謝的分子機制，為其作為功能性食品成分或膳食補充劑在代謝性疾?。ㄈ缣悄虿〖捌洳l(fā)癥）預防和干預策略中的應用奠定理論基礎。

1 高糖損傷模型的建立及表型分析

體長和體寬是評估線蟲生長狀況的重要指標。通過測量野生型秀麗隱桿線蟲在100 mmol/L蔗糖處理下的體長和體寬，評估了高糖環(huán)境對其生長發(fā)育的影響。由圖1A可知，空白組與高糖組線蟲體長均隨時間的延長而增長，但高糖組線蟲的體長始終高度顯著短于空白組（P＜0.001），在處理至2～4 d時的體長分別比空白組縮短了25.8%、6.6%和13.82%。在高糖攝食下，秀麗線蟲體寬的變化與體長不同，處理至第3天高糖組線蟲的體寬明顯增加，比空白組增加了10.9%，然而至第4天（產卵期），高糖組線蟲的體寬急劇縮小，較空白組縮小了21.8%（圖1B、D）。以上結果表明，高糖處理顯著抑制線蟲生長，延緩其發(fā)育進程，并導致早期肥胖表型，但線蟲最終仍能發(fā)育為成蟲。以上結果表明高糖處理通過持續(xù)抑制體長增長與誘導階段性體寬異常（早期增寬→后期縮窄）顯著延緩線蟲發(fā)育進程，但并不影響其發(fā)育為成蟲。

咽泵搏動速率能夠反映線蟲攝食效率。如圖1C所示，高糖組線蟲的每20 s咽泵頻次（153.98±7.76）高度顯著高于空白組（108.89±4.90）（P＜0.001）。結果表明，高糖環(huán)境可促進線蟲的攝食行為。

為評估高糖對生殖能力的影響，統(tǒng)計了線蟲整個產卵周期的后代數(shù)。如圖1E所示，與空白組（243.70±25.16）相比，100 mmol/L蔗糖處理后線蟲的后代數(shù)（164.57±33.98）高度顯著降低（P＜0.001），減少約33%（圖1E）。結果表明，高糖處理抑制了線蟲的生殖能力。

2 茶氨酸對糖損傷線蟲的修復作用

2.1 對生長發(fā)育的修復

為評估茶氨酸對高糖損傷線蟲生長發(fā)育的修復作用，測量了不同質量濃度茶氨酸處理下線蟲的體長和體寬。如圖2A所示，在L3幼蟲期（第2天）時50、500、1 000 μg/mL茶氨酸處理均能高度顯著逆轉高糖損傷導致的體長抑制（P＜0.001）。茶氨酸的修復效果呈濃度依賴性增強，50、500、1 000 μg/mL茶氨酸處理組線蟲的體長較高糖組（（397.92±38.54）μm）分別增加了7.14%、19.6%和36.1%，其中500、1 000 μg/mL茶氨酸處理組體長分別恢復至空白組的88.7%和101.0%。至年輕成蟲期（第3天），僅1 000 μg/mL茶氨酸處理高度顯著逆轉了高糖引起的體長抑制（P＜0.001），較高糖組增加6.14%，恢復至空白組的99.12%，而50 μg/mL和500 μg/mL茶氨酸處理對線蟲體長無顯著修復作用。至產卵期（第4天）時，所有質量濃度茶氨酸處理均能高度顯著逆轉高糖損傷導致的體長縮短（P＜0.001）。

由圖2B可知，年輕成蟲期（第3天），50 μg/mL茶氨酸處理即可顯著逆轉高糖引起的體寬增加，使其與空白組無顯著差異。500 μg/mL和1 000 μg/mL茶氨酸處理組的體寬進一步減小，且顯著低于空白組，分別降低了8.8%和16.4%（P＜0.001）。其中，1 000 μg/mL茶氨酸處理組體寬（（42.74±4.86）μm）較高糖組（（57.40±5.39）μm）顯著降低25.54%。至產卵期（第4天），50 μg/mL茶氨酸處理能顯著增加體寬，較高糖組增加19.5%，且顯著高于空白組。與第3天結果相似，500 μg/mL和1 000 μg/mL茶氨酸處理組線蟲的體寬顯著低于空白組（P＜0.001），分別降低了12.31%和12.14%（圖2B）。形態(tài)學觀察結果顯示，500 和1 000 μg/mL茶氨酸處理組的體型更接近空白組（圖2C）。綜上，茶氨酸處理能有效修復高糖環(huán)境對線蟲體長和體寬發(fā)育的抑制作用。在年輕成蟲期，茶氨酸對高糖誘導的體寬增加（肥胖表型）表現(xiàn)出尤為顯著的逆轉作用。上述結果表明，茶氨酸能夠顯著改善高糖對線蟲生長發(fā)育的負面影響。

2.2 對攝食速率的影響

由圖3A可知，50、500、1 000 μg/mL茶氨酸處理均顯著降低了高糖損傷線蟲的每20 s咽泵頻次（P＜0.001），且抑制效應隨質量濃度升高而增強。其中50 μg/mL茶氨酸處理組的每20 s咽泵頻次（142.27±6.91）較高糖組（153.98±7.85）降低7.60%；1 000 μg/mL茶氨酸處理組（123.60±5.67）降低19.73%。這與線蟲偏好高糖食物的結論相印證，表明茶氨酸能部分降低高糖損傷線蟲的攝食速率。

2.3 對生殖能力的修復

如圖3B所示，50、500、1 000 μg/mL茶氨酸處理均能高度顯著逆轉高糖損傷導致的子代數(shù)量減少（P＜0.001），且其修復效應呈劑量依賴性增強。50 μg/mL茶氨酸處理組后代數(shù)（196.00±21.02）明顯高于高糖組（164.57±33.98），增加約19%，500 μg/mL茶氨酸處理組后代數(shù)同樣高度顯著增加，1 000 μg/mL茶氨酸處理組后代數(shù)（223.72±14.68）高度顯著高于高糖組，增加約36%。結果表明，茶氨酸處理能有效修復高糖環(huán)境對線蟲生殖能力的損傷。

3 茶氨酸對高糖誘導秀麗線蟲氧化應激的影響

ROS（包括超氧陰離子自由基和過氧化氫）作為氧化損傷的直接生物標志物，其積累水平可定量表征高糖毒性及干預效果。本研究通過檢測空白組、高糖組及茶氨酸修復組（50、500、1 000 μg/mL）線蟲的ROS水平，評估茶氨酸的抗氧化效應及劑量依賴性。由圖4可知，高糖組ROS水平較空白組高度顯著升高，升高約77.7%（P＜0.001）。相比于高糖組，50 μg/mL茶氨酸修復組的ROS水平高度顯著降低，下降了59.6%（P＜0.001）；而500 μg/mL與1 000 μg/mL茶氨酸修復組ROS水平顯著高于高糖組（分別上升了7.4%和17.0%，P＜0.001），且高度顯著高于空白組（分別上升了90.9%和108.0%，P＜0.001）。上述結果表明，低劑量（50 μg/mL）茶氨酸可有效拮抗高糖誘導的氧化應激，使ROS水平降低至接近生理狀態(tài)；而高劑量（500 μg/mL和1 000 μg/mL）茶氨酸反而會加劇ROS積累，其促氧化效應甚至高于單獨的高糖誘導損傷；該雙相調節(jié)現(xiàn)象提示茶氨酸在高糖環(huán)境中的生物學效應存在臨界濃度閾值，超出閾值后可能觸發(fā)氧化損傷。

4 茶氨酸對脂質代謝、抗氧化及線粒體功能相關基因表達的影響

為闡明茶氨酸緩解秀麗線蟲高糖損傷的分子機制，本研究檢測了空白組、高糖組及1 000 μg/mL茶氨酸修復組線蟲中脂質代謝、抗氧化及線粒體功能相關基因的表達差異。在脂質代謝相關基因中（圖5A），fat-2基因的表達水平在高糖組與空白組間無顯著差異（P＞0.05），修復組的fat-2表達水平與高糖組相比顯著升高（較空白組升高35.7%）；sbp-1基因的表達水平在各組間無顯著變化；nhr-80基因在高糖組的表達水平受到顯著抑制（P＜0.01），較空白組下降了23%，而茶氨酸修復組與高糖組的nhr-80表達水平無顯著差異（P＞0.05），未恢復至空白組水平。如圖5B所示，在抗氧化基因中，cat-1基因表達水平在高糖組與空白組間無顯著差異（P＞0.05），而修復組的cat-1表達水平較高糖組上調（P＜0.05），達高糖組的12.3 倍；cat-4基因的表達水平在高糖組與空白組間也無顯著差異（P＞0.05），修復組的表達水平較空白組下降了51.6%（P＜0.05）；與空白組相比，sod-3基因在高糖組中的表達水平顯著升高了30.7%（P＜0.05），修復組的表達水平進一步上調（較空白組升高了98.3%，P＜0.01）；gst-4基因的表達在高糖組中受到極顯著抑制（僅為空白組的22.5%，P＜0.01），但茶氨酸修復組完全恢復至空白組水平。線粒體功能基因polg-1在高糖組與空白組間表達無顯著差異（P＞0.05），其在修復組中的表達極顯著增強，較空白組升高了44.74%（P＜0.01）（圖5C）。以上結果表明，在脂質代謝通路中，茶氨酸可能通過激活fat-2基因的表達，促進脂肪酸代謝穩(wěn)態(tài)；在抗氧化防御中，其可以強力誘導cat-1與sod-3基因的表達以清除ROS，同時差異性調控cat-4表達并恢復gst-4表達至生理水平，重塑氧化還原平衡；同時茶氨酸可顯著增強線粒體功能基因polg-1的表達，其可能可以改善能量代謝的效率。綜上，茶氨酸能夠通過協(xié)同調節(jié)脂質代謝、抗氧化應激及線粒體功能三大通路，系統(tǒng)緩解高糖所致的代謝紊亂與氧化損傷。

5 討論與結論

本研究揭示茶氨酸對高糖損傷的修復呈現(xiàn)劑量依賴性雙相效應：低劑量（50 μg/mL）有效逆轉高糖誘導的生長發(fā)育抑制及生殖損傷，而高劑量（＞500 μg/mL）雖改善肥胖表型，卻顯著加劇ROS積累（較空白組增加90.9%～108.0%）。這一現(xiàn)象與茶氨酸在高糖環(huán)境中的“抗氧化-促氧化”轉換特性相符。在低劑量時，茶氨酸能夠保護H9C2細胞免受過氧化氫誘導的凋亡，通過提高細胞內抗氧化酶活性，降低ROS、一氧化氮和氧化型谷胱甘肽的含量，減少細胞凋亡比例，上調Pro-Caspase-3表達并抑制cleavaged-PARP表達，展現(xiàn)出明顯的抗氧化能力。然而，當茶氨酸處于高劑量時，則會發(fā)生促氧化物質轉化現(xiàn)象。研究表明，高劑量的茶氨酸可能會導致一些促氧化物質的生成或激活相關促氧化途徑。例如，在對吲哚美辛誘導胃潰瘍小鼠模型的研究中發(fā)現(xiàn)，高劑量（40 mg/kg）的茶氨酸會加重潰瘍狀況；進一步研究發(fā)現(xiàn)，高劑量茶氨酸使得該模型胃組織中脂質過氧化增加、蛋白質羰基化增強，Th1細胞因子合成增加，同時硫醇、黏蛋白、前列腺素E、Th2細胞因子合成以及總抗氧化狀態(tài)等均出現(xiàn)耗竭，表明高劑量茶氨酸破壞了胃組織的氧化還原平衡，促進了促氧化物質的生成和氧化應激反應的加劇。因此，這種“抗氧化-促氧化”轉換現(xiàn)象可能與茶氨酸的劑量、細胞類型、高糖環(huán)境的具體條件以及細胞內的代謝狀態(tài)等多種因素有關。深入研究這種轉換現(xiàn)象的機制，對于準確評估茶氨酸在高糖環(huán)境中的作用以及合理應用茶氨酸具有重要的指導意義。

在脂質代謝方面，線蟲基因nhr-80與哺乳動物的HNF4基因同源。有研究表明，nhr-80的過表達可與油酸協(xié)同作用，通過促進脂肪酸去飽和化延長線蟲壽命；然而，相較于飽和脂肪酸，多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）性質不穩(wěn)定，更易發(fā)生氧化?；騭bp-1則與人類調控脂質代謝的關鍵因子SREBP同源，其功能是通過激活脂肪生成相關酶誘導脂質合成。此外，fat-2基因編碼的Δ-12脂肪酸脫氫酶，是催化ω-6 PUFAs生成的關鍵酶，直接參與PUFAs的生物合成過程。本實驗結果顯示，高糖攝食抑制了nhr-80基因的表達，但對fat-2和sbp-1基因的表達無顯著影響。值得注意的是，1 000 μg/mL茶氨酸激活了fat-2基因的表達。因此，在高糖環(huán)境下，1 000 μg/mL茶氨酸通過激活fat-2基因促進了不飽和脂肪酸（特別是ω-6 PUFAs）的生成。鑒于PUFAs易于氧化的特性，這為高糖環(huán)境下ROS的積累提供了潛在的脂質底物。

高劑量茶氨酸（1 000 μg/mL）在激活抗氧化基因（如sod-3表達上調了98.3%）的同時，卻誘發(fā)了更嚴重的ROS升高，這一矛盾現(xiàn)象提示其作用遠超單純的抗氧化防御。除了脂質代謝的改變，本研究檢測到高劑量茶氨酸能顯著增強線粒體功能基因polg-1的表達。該基因編碼線粒體DNA聚合酶γ的催化亞基，是維持線粒體DNA（mtDNA）完整性和進行復制修復的關鍵酶。其表達上調通常被視為線粒體生物合成或功能修復的積極信號。然而，在高糖應激背景下，茶氨酸強力驅動polg-1表達和脂肪酸去飽和，可能創(chuàng)造了一個獨特的代謝環(huán)境：一方面，增強的線粒體功能可能暫時提升了能量代謝，但另一方面，不穩(wěn)定的PUFAs大量進入線粒體進行β-氧化，結合可能被過度激發(fā)的電子傳遞鏈，反而導致電子泄漏增加，最終超越了下游抗氧化酶（如超氧化物歧化酶3（SOD-3））的清除能力，導致“代謝性ROS爆發(fā)”。這種線粒體功能的失衡，可能源于茶氨酸使抗氧化酶活性達到飽和狀態(tài)或過度激活了胰島素/IGF-1信號通路（IIS），導致DAF-16/SKN-1等維持氧化還原穩(wěn)態(tài)的轉錄因子功能失衡。在哺乳動物細胞中，也有研究表明茶氨酸可能通過影響細胞內的氧化還原狀態(tài)，激活或抑制與DAF-16/SKN-1相關的信號通路。如在氧化應激條件下，茶氨酸可能通過調節(jié)相關激酶的活性，影響SKN-1的核轉位和轉錄活性，導致其對下游抗氧化基因的調控失衡，使得細胞的抗氧化能力發(fā)生改變。然而，具體的失衡機制以及茶氨酸影響DAF-16/SKN-1的詳細分子靶點還需要通過基因敲除或蛋白質組學探討。

盡管線蟲與哺乳動物糖代謝存在差異，但茶氨酸所調控的sod-3、polg-1等通路在維持代謝與氧化還原穩(wěn)態(tài)方面高度保守，因此，其低劑量保護效應為探索糖尿病并發(fā)癥的營養(yǎng)防控提供了新思路。秀麗隱桿線蟲模型缺乏胰腺等復雜器官，無法完全模擬人類糖尿病的代謝特征，如胰島素抵抗，未來研究需結合哺乳動物模型驗證其劑量效應和靶點，著重解析茶氨酸代謝轉化途徑及其與IIS通路的交互機制，并利用線粒體特異性探針及能量代謝分析技術，直接觀測線粒體形態(tài)與氧化磷酸化效率，以全面揭示其劑量依賴性雙向調節(jié)作用的細胞器基礎，從而優(yōu)化膳食干預策略。

第一作者：

蓋停停講師
淮南師范學院

蓋停停，女，博士，講師。主要研究領域為藥理學、分子遺傳學。

學習經歷：

2008.09-2012.07，青島農業(yè)大學，生物技術專業(yè)，獲學士學位；

2012.09-2014.07，西南大學，遺傳學專業(yè)，碩士研究生；

2014.09-2020.12，西南大學，遺傳學專業(yè)，獲博士學位。

工作經歷：

2021年1月至今，淮南師范學院生物工程學院專任教師。

科研成果：

[1] Gai TT, Zhang LF, Chen LW, Wang Yun, et al. Transcriptomic analysis reveals decreased expression of detoxification genes in Caenorhabditis elegans exposed to mepanipyrim and cyprodinil: Implications for multigenerational exposure effects. Ecotoxicology and Environmental Safety. 2024,287,117265.

[2] Chen LW, Chen GJ, Gai TT, Zhou XH, et al. L-Theanine Prolongs the Lifespan by Activating Multiple Molecular Pathways in Ultraviolet C-Exposed Caenorhabditis elegans. Molecules, 2024, 29(11):2691.

[3] Wang Y#, Gai TT#, Zhang LF, Chen LW, et al. Neurotoxicity of bisphenol A exposure on Caenorhabditis elegans induced by disturbance of neurotransmitter and oxidative damage, Ecotoxicology and Environmental Safety, 2023, 252(114617).

[4] Gai TT, Tong XL, Han MJ, Li CL, et al. Cocoonase is indispensable for Lepidoptera insects breaking the sealed cocoon. PLoS Genetics. 2020, 16(9), e1009004.

[5] Tong X, Han MJ, Lu K, Tai S, et al. High-resolution silkworm pan-genome provides genetic insights into artificial selection and ecological adaptation. Nature Communication. 2022, 13(1):5619.

引文格式：

蓋停停, 王云, 張連鳳, 等. 基于秀麗隱桿線蟲高糖模型鑒定茶氨酸的修復功效[J]. 食品科學, 2026, 47(2): 133-141. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250714-117.

GAI Tingting, WANG Yun, ZHANG Lianfeng, et al. Repairing effect of theanine on high-sucrose diet-induced damage in Caenorhabditis elegans[J]. Food Science, 2026, 47(2): 133-141. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250714-117.

實習編輯：李雄；責任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網

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