潘 聰 張大力* 段盛林 苑 鵬 夏 凱 李占東于偉厚 劉美宏 于寒松 趙可心
(1 吉林農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院 長春130118 2 中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院有限公司 北京100015 3 吉林工程技術師范學院食品工程學院 長春130052 4 大連雙迪科技股份有限公司 遼寧大連116635)
酵母水解物(Yeast hydrolyzate,YH)也稱復合酵母,是利用內(nèi)源酶(細胞內(nèi)自溶酶)及外源酶水解釋放核酸和小肽等功效成分而獲得的純培養(yǎng)酵母自溶物。高核苷酸酵母水解物(High nucleotide yeast hydrolyzate,HNYH)富含大量核酸、核苷酸(AMP,CMP,GMP,UMP,IMP)、小肽、消化酶、游離氨基酸、B 族維生素及酵母細胞壁。核苷酸具有多種生物學活性[1-2],在能量代謝及蛋白質(zhì)生物合成過程中起著重要的作用[3]。據(jù)報道,酵母核苷酸具有抗氧化,增強機體免疫力及維持機體胃腸道功能等作用。核苷酸作為核酸的組成單位,幾乎參與體內(nèi)所有代謝過程,是體內(nèi)許多酶和輔酶的重要組成成分,在細胞物質(zhì)與能量代謝以及功能調(diào)節(jié)中起重要作用[4]。近年來的研究表明,酵母核苷酸具有提高免疫力,促生長,抗氧化,促進機體損傷修復,降低細胞凋亡以及抗炎等功能[5-8]。Ames等[9]認為核酸及相關物質(zhì)均可作為內(nèi)源性自由基清除劑和抗氧化劑,具有與VC類似的作用。
氧化應激是指機體氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)失衡的一種狀態(tài)。氧化應激損傷會產(chǎn)生大量的活性氧(Reactive oxygen species,ROS)和自由基,引發(fā)脂質(zhì)過氧化反應生成丙二醛(Malonicdialdehyde,MDA)。氧化應激會導致細胞膜通透性增強,促進胞內(nèi)乳酸脫氫酶(Lactate dehydrogenase,LDH)向胞外釋放。此外,氧化應激會引發(fā)自由基鏈式反應,降低超氧化物歧化酶(Super oxide dismutase,SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(Glutathione peroxidase,GSH-Px)等抗氧化酶的活性,最終導致細胞死亡[10-12]。
目前,關于高核苷酸酵母水解物的體外抗氧化作用及其機制尚無深入研究,相關核苷酸抗氧化能力多基于體內(nèi)動物實驗。本研究分析了高核苷酸酵母水解物在體外條件下清除活性氧的能力及其對氧化應激損傷細胞的抗氧化作用。
高核苷酸酵母水解物(經(jīng)測定高核苷酸酵母水解物中蛋白質(zhì)含量61.95%,氯化鈉0.2%,總核苷酸含量13.56%。其中0.049% AMP,2.17%CMP,3.39% GMP,3.54% UMP,4.42% IMP),大連珍奧生物技術有限公司提供;AMP,CMP,GMP,UMP,IMP 5種核苷酸標品,北京華威思科科技有限公司;肝癌細胞株(HepG2),中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院保存;DMEM(Dulbecco’s Modified Eagle Medium)培養(yǎng)基、磷酸鹽緩沖液(Phosphate buffered saline,PBS)、平衡鹽緩沖液(Hank’s balanced salt solution,HBSS)、DMEM無糖培養(yǎng)基、小牛血清,美國Gibco 公司;油酸(Oleic acid,OA)、棕櫚酸(Palmitic acid,PA)、DCFH-DA、二甲基亞砜(Dimethyl sulfoxide,DMSO)、噻唑蘭(3-[4,5-dimethylthiazol-2-yl]-2,5-diphenylterazolium bromide,MTT)、胰蛋白酶,美國Sigma 化學公司;無FFA 牛血清蛋白(FFA-free bovine serum albumin,BSA),日本W(wǎng)AKO 公司;超氧化物歧化酶(SOD)試劑盒、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)試劑盒、丙二醛(MDA)試劑盒、氧自由基(ROS)試劑盒,南京建成生物工程研究所;細胞核蛋白與細胞漿蛋白抽提試劑盒、山羊抗鼠IgG/HRP 二抗、山羊抗兔IgG/HRP 二抗,碧云天生物有限公司;鼠抗β-actin 單克隆抗體、兔抗Nrf2 單克隆抗體、兔抗PARP 單克隆抗體,美國Cell Signaling Technology公司;TransZol Up RNA 提取試劑盒,北京全式金生物技術有限公司;所有有機溶劑均為國產(chǎn)分析純級。
高效液相色譜儀,島津(上海)實驗器材有限公司;低溫高速離心機,安徽中科中佳科學儀器有限公司;倒置生物顯微鏡,日本OLympus 公司;生物安全柜,中國濟南鑫貝西生物技術有限公司;37 ℃CO2培養(yǎng)箱MCO-20AIC,松下健康醫(yī)療器械(上海)有限公司;酶標儀Spectra Max i3,美國MD 公司;分析天平,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;KQ-250DE 超聲波清洗儀,昆山超聲儀器有限公司;pH 計,上海雷磁儀器廠;GL-20G-Ⅱ型高速冷凍離心機,上海安亭科學儀器廠;DK-8D三溫三控水槽,上海博迅實業(yè)有限公司;電泳儀、轉(zhuǎn)膜儀,伯樂有限公司。
稱取高核苷酸酵母水解物溶于超純水中,離心(4 000 r/min,10 min)取上清待用。
1.3.1 DPPH 自由基清除作用檢測 參照文獻[13]的方法,準確稱取0.0079 g DPPH 用無水乙醇溶解,定容至100 mL,配制成濃度為2×10-4mol/L的DPPH 溶液。精確取1 mL 不同濃度的待測液于5 mL 離心管中,加入1 mL DPPH 溶液和0.5 mL 75%的乙醇,使體系總體積為2.5 mL。避光反應30 min,3 000 r/min 離心取上清。采用酶標儀在波長517 nm 處測吸光值,以吸光值的下降表示其對自由基的消除能力。DPPH 自由基清除率根據(jù)式(1)計算:
式中,A0——加DPPH(1 mL DPPH+1 mL 水+0.5 mL 75%乙醇)的吸光度;A1——樣品與DPPH反應后的吸光度(1 mL DPPH+1 mL 待測液+0.5 mL 75%乙醇);A2——樣品的空白對照(1 mL 75%乙醇+1 mL 待測液+0.5 mL 75%乙醇)的吸光度;A空白——DPPH 空白對照(1 mL 75%乙醇+1 mL 水+0.5 mL 75%乙醇)的吸光度。
1.3.2 羥自由基清除檢測 參照文獻[14]的方法,取若干10 mL 離心管,依次加入0.6 mL 的FeSO4(8.0 mmol/L),0.5 mL 的H2O2(0.02 mmol/L),2 mL的水楊酸(3 mmol/L)及2 mL 不同梯度稀釋的樣品。37 ℃保溫30 min 后,加入0.9 mL 的HCl(1 mol/L)終止反應,反應體系終體積為6.0 mL,轉(zhuǎn)速3 000 r/min,離心10 min,取上清測定波長510 nm處的吸光度值,以多酚提取物抑制羥自由基引發(fā)的水楊酸羥基化作用的程度表示其羥自由基的清除能力。樣品清除率根據(jù)式(2)計算:
式中,A0——空白組吸光度;A1——樣品的吸光度;A2——樣品空白對照的吸光度。
1.3.3 總還原力的檢測 參照文獻[15]的方法,配制蘆丁標準品溶液。精確稱取蘆丁標準品(純度≥98%)30.0 mg,加入10 mL 無水甲醇溶解,轉(zhuǎn)移到100 mL 容量瓶中,用水稀釋至刻度,搖勻,即得蘆丁標準品溶液,質(zhì)量濃度為300 μg/mL。分別加入pH 6.6 的PBS 緩沖液1.0 mL、1%鐵氰化鉀溶液1.0 mL、不同質(zhì)量濃度待測液1.0 mL 于試管中,搖勻后置于50 ℃水浴鍋中加熱20 min,待冷卻后加入1%三氯乙酸2.5 mL 并搖勻,離心(3 000 r/min,10 min),吸取2.0 mL 于另一只試管中,加入蒸餾水5.0 mL 和0.1%三氯化鐵1.0 mL,混勻后靜置10 min,于波長700 nm 處測定反應體系的OD 值,每組試驗重復3 次后求得平均值,繪制總還原能力變化曲線。
1.4.1 HepG2 的培養(yǎng) 參考文獻[16]的方法,人肝癌細胞株HepG2 培養(yǎng)于含10%新生牛血清,青霉素100 U/mL 和鏈霉素100 μg/mL 的DMEM 培養(yǎng)基中(下文簡稱DMEM10),在37 ℃,5% CO2培養(yǎng)條件下常規(guī)培養(yǎng)。選取對數(shù)生長期細胞以3.5×106個/mL 濃度接種于96 孔板中,待細胞貼壁并長滿時,用PBS 潤洗細胞一次,加入不同的處理液,試驗分組如下:對照組(DMEM10)、模型組(FFA 200 μg/mL)以及不同質(zhì)量濃度高核苷酸酵母水解物的試驗組(試驗組1 質(zhì)量濃度300 μg/mL、試驗組2質(zhì)量濃度500 μg/mL、試驗組3 質(zhì)量濃度1 000 μg/mL)。
1.4.2 MTT 法測定HepG2 細胞存活率 取96 孔培養(yǎng)板,每孔加100 μL 細胞懸液,HepG2 細胞濃度為1×105個/mL,37 ℃培養(yǎng)24 h 后棄去培養(yǎng)液,用PBS 清洗一次,試驗組加入不同質(zhì)量濃度的高核苷酸酵母水解物干預處理24 h 后除去培養(yǎng)液。加入0.5 mg/mL MTT-DMEM,于37 ℃避光孵育4 h,加入100 μL DMSO,振蕩以便完全溶解MTT 紫色結(jié)晶產(chǎn)物。用酶標儀在波長490 nm 處測定吸光度值。以對照組細胞的細胞存活率為100%計算其余組別細胞存活率。
1.5.1 ROS 的測定 取對數(shù)生長期HepG2 細胞,將對照組、模型組、試驗組分別進行相應處理。棄掉細胞培養(yǎng)液,每孔加入2 mL 的熒光探針DCFH-DA(10 μmol/L),于37 ℃細胞培養(yǎng)箱內(nèi)孵育20 min。無血清細胞培養(yǎng)液洗滌細胞3 次后,收集細胞,用酶標儀測定吸光度值,激發(fā)波長為488 nm,發(fā)射波長為525 nm,結(jié)果以模型組ROS 含量的百分比表示。
1.5.2 氧化損傷標志物測定 按1.4.1 節(jié)的不同分組處理細胞,試驗結(jié)束離心收集細胞,用預冷的PBS 洗滌3 次,加入細胞裂解液裂解3~5 s,離心(2 500 r/min,10 min)并收集細胞上清液。用BCA蛋白濃度測定試劑盒測定細胞上清液蛋白質(zhì)含量,MDA 含量按試劑盒方法測定,結(jié)果以mmol/mg 表示。
1.5.3 SOD 和GSH-Px 活力測定 按1.4.1 節(jié)的不同分組處理細胞,試驗結(jié)束離心收集細胞,用預冷的PBS 洗滌3 次,加入細胞裂解液,冰浴條件下裂解3~5 s,離心(2 500 r/min,10 min)并收集細胞上清液。BCA 蛋白濃度測定試劑盒測定上清液蛋白濃度,SOD 和GSH-Px 酶活按檢測試劑盒方法測定,酶活力以U/mg 表示。
RT-PCR 檢測keap1,Nrf2,HO-1 和NQO-1的mRNA 表達水平。收集各組肝癌細胞,按照全式金試劑盒說明書提取細胞總RNA,用RNA/DNA 超微量測定儀對RNA 進行定量分析,測定RNA 純度及濃度。PCR 反應條件為:45 ℃,5 min;94 ℃,30 s;94 ℃,5 s;60 ℃,1 min;循環(huán)40 次。采用瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR 擴增產(chǎn)物,使用Bio-Rad 公司圖像分析儀成像并進行半定量分析,引物序列如表1所示。
采用細胞核蛋白與細胞漿蛋白抽提試劑盒于冰上分離各組樣品細胞中的核蛋白和漿蛋白,采用考馬斯亮藍法測定蛋白質(zhì)濃度。采用免疫印跡試驗檢測Nrf2 蛋白的表達水平,保持凝膠電泳每孔蛋白質(zhì)上樣量達30 μg,利用10% SDS-PAGE分離樣品,轉(zhuǎn)膜,加入5%脫脂奶粉封閉2 h。將膜置于按體積比1∶1 000 配制的一抗稀釋液中4 ℃過夜,加入TBST 洗膜3 次,將膜浸入按體積比1∶1 000 配制的二抗稀釋液中,室溫條件下?lián)u床孵育1 h,加入TBST 洗膜3 次。加入ECL 顯色液,曝光顯色,利用Image J 軟件分析灰度值。
表1 試驗用各目標基因特異性引物序列Tab1e 1 Sequences of primers for target genes of amplified fragment
DPPH是自由基清除活性試驗中的一個重要的化學試劑,OH·被認為是最能體現(xiàn)活細胞中抗氧化活性的指標,它可以參與所有活細胞和生物大分子的代謝反應[17]??寡趸瘎┠芡ㄟ^自身的還原作用,通過給出電子清除自由基,其還原能力越強表明其抗氧化能力越強。根據(jù)試驗結(jié)果得出蘆丁標準曲線為y=0.9596x-0.007,R2=0.9945,將總還原力OD 值換算成有效成分蘆丁質(zhì)量濃度,結(jié)果如表2所示,隨著高核苷酸酵母水解物質(zhì)量濃度增大,DPPH 清除率、羥自由基清除率、總還原能力逐漸增強,說明高核苷酸酵母水解物的抗氧化能力逐漸增強。
表2 不同質(zhì)量濃度高核苷酸酵母水解物的DPPH,OH- 清除率和總還原力Table 2 Different mass concentration of high-dose yeast hydrolysates DPPH,OH- clearance and total reducing power
由表3可知,各質(zhì)量濃度組的細胞存活率都在95%以上,說明高核苷酸酵母水解物在100~1 000 μg/mL 范圍內(nèi)對HepG2 細胞均無明顯的毒性作用。
表3 不同質(zhì)量濃度高核苷酸酵母水解物對HepG2細胞活力的影響Table 3 Effects of different mass concentration of high-dose yeast hydrolysates on the viability of HepG2 cells
2.3.1 ROS 的含量 細胞內(nèi)過量ROS 的產(chǎn)生會使細胞處于氧化應激狀態(tài),進而對細胞造成氧化損傷。因此,細胞內(nèi)ROS 含量可以直接反應映細胞氧化損傷的程度[18]。采用熒光探針DCFH-DA法,測定各組HepG2 細胞中ROS 含量,結(jié)果如圖1所示。試驗組和對照組ROS 含量均顯著低于模型組(P<0.05)。FFA 能通過誘發(fā)大量ROS 的生成對HepG2 細胞造成損傷,而高核苷酸酵母水解物則通過降低細胞中ROS 的含量對HepG2 細胞起到保護作用。
2.3.2 MDA 的含量 MDA是細胞內(nèi)脂質(zhì)的氧化損傷標志物,其含量間接反映機體內(nèi)脂質(zhì)過氧化水平。MDA可由細胞膜上的脂質(zhì)與ROS 發(fā)生過氧化反應生成,能破壞甚至摧毀細胞膜[19]。MDA 能和硫代巴比妥酸反應生成紅色物質(zhì),利用這一性質(zhì)可測定HepG2 細胞內(nèi)的MDA 含量。由圖2可知,模型組的MDA 含量顯著高于對照組(P<0.05),這與FFA 能誘發(fā)細胞產(chǎn)生大量ROS 密切相關;而試驗組隨著高核苷酸酵母水解物質(zhì)量濃度的增加,F(xiàn)FA 誘導HepG2 細胞內(nèi)的MDA 含量逐漸減少,這一結(jié)果與2.3.1 節(jié)ROS 含量測定的結(jié)果相符,說明高核苷酸酵母水解物能夠緩解FFA 對HepG2 細胞內(nèi)脂質(zhì)的氧化損傷。
圖1 HNYH 對FAA 誘導的HepG2 細胞內(nèi)ROS 含量的影響Fig.1 Effects of HNYH on ROS production in FAA-induced HepG2 cells
圖2 HNYH 對FAA 誘導的HepG2 細胞內(nèi)MDA 含量的影響Fig.2 Effects of HNYH on the content of MDA in FAA-induced HepG2 cells
2.4.1 SOD 活力 SOD是一種金屬酶,是機體內(nèi)抵抗ROS 損傷的第一道防御關卡,可以使有毒的超氧化自由基降解為氧和過氧化物[20]。由圖3可知,除試驗組1 外其余組SOD 的酶活力均顯著大于模型組(P<0.05)。說明高核苷酸酵母水解物能通過提高胞內(nèi)SOD 的酶活力保護HepG2 細胞抵抗FFA 誘導的損傷作用,并且與高核苷酸酵母水解物的質(zhì)量濃度呈正相關,高核苷酸酵母水解物的這一功能可能與細胞內(nèi)的一種核轉(zhuǎn)錄因子Nrf2相關[21]。
2.4.2 GSH-PX 酶活力 GSH-Px是機體存在的一種清除自由基和抑制自由基反應的酶系統(tǒng),其活力水平也是評價機體抗氧化能力的重要指標。GSH-Px 在體內(nèi)能通過GSH 調(diào)控ROS 生成并清除有機過氧化物[22]。GSH是一種內(nèi)源性巰基化合物,對維持細胞氧化還原平衡和氨基酸平衡,調(diào)控細胞基因及胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導起重要作用,并且GSH還與多種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性有關[23]。由圖4~5可知,試驗組2 和3 的GSH-Px 酶活力顯著高于模型組(P<0.05),并呈質(zhì)量濃度依賴性趨勢,說明高核苷酸酵母水解物能通過提高胞內(nèi)GSH-Px 的酶活力和細胞上清GSH-Px 的酶活力保護HepG2 細胞抵抗FFA 誘導的損傷作用,并且與高核苷酸酵母水解物的質(zhì)量濃度呈正相關,與SOD 酶活力的變化趨勢一致。
圖3 HNYH 對FFA 誘導HepG2 細胞內(nèi)SOD 酶活力的影響Fig.3 Effects of HNYH on enzyme activities of SOD in FFA-induced HepG2 cells
圖4 HNYH 對FFA 誘導HepG2 細胞內(nèi)GSH-Px 酶活力的影響Fig.4 Effects of HNYH on enzyme activities of GSH-Px in FFA-induced HepG2 cells
圖5 HNYH 對FFA 誘導HepG2 細胞上清GSH-Px 酶活力的影響Fig.5 Effects of HNYH on enzyme activities of GSH-Px in FFA-induced HepG2 cells supernatant
圖6 HNYH 對FFA 刺激的HepG2 細胞keap1,Nrf2,HO-1 和NQO-1 mRNA 表達水平的影響Fig.6 Effects of mRNA expression levels of keap1,Nrf2,HO-1 and NQO-1 after the intervention of HNYH on HepG2 cells stimulated by FFA
Keap1-Nrf2/ARE 信號通路是調(diào)節(jié)機體氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)平衡,調(diào)控體內(nèi)抗氧化防御機制的重要途徑[24]。該信號通路可以通過編碼HO-1內(nèi)源性保護基因?qū)崿F(xiàn)對HepG2 細胞氧化損傷的保護作用[25-26]。Nrf2是調(diào)節(jié)ARE 驅(qū)動的II 期基因表達的主要轉(zhuǎn)錄因子,HO-1,NQO-1 和keap1等抗氧化基因的表達均有Nrf2 參與。正常生理情況下,Nrf2 位于胞漿中并與Keap1 結(jié)合形成復合體。當機體受到氧化應激損傷時,Nrf2 與Keap1 解離,Nrf2 進入細胞核與ARE 結(jié)合,激活抗氧化酶(HO-1,SOD,GSH-Px)以及Ⅱ相解毒酶的轉(zhuǎn)錄活性,從而發(fā)揮抗氧化損傷作用,恢復細胞的內(nèi)穩(wěn)態(tài)[27-28]。如圖6所示,與正常組相比,模型組的Nrf2,HO-1 和NQO-1 的mRNA 表達水平均顯著降低,試驗組質(zhì)量濃度依賴性地增高Nrf2,HO-1和NQO-1 的mRNA 表達水平,而keap1 的mRNA表達水平隨HNYH 質(zhì)量濃度增大逐漸降低。
Nrf2是細胞降低活性氧,抵御外來有害刺激的重要轉(zhuǎn)錄因子。正常生理情況下,Nrf2 與胞漿中的抑制因子Keap1 結(jié)合,處于無活性狀態(tài),并經(jīng)泛素化快速降解。在誘導Nrf2 激活后,Nrf2 與Keap1分離,轉(zhuǎn)入細胞核中,識別并結(jié)合抗氧化反應元件(ARE),啟動下游基因表達,增強細胞抗損傷能力,從而有效抵抗有害物質(zhì)的攻擊。Nrf2 調(diào)控的下游基因主要為Ⅱ相解毒酶基因、抗氧化基因和應激基因等,其編碼的蛋白質(zhì)與自由基和外源性化學物質(zhì)等的代謝、清除以及恢復并維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)密切相關[29-30]。由圖7可知,高核苷酸酵母水解物能夠以質(zhì)量濃度依賴性的方式增加HepG2 細胞核內(nèi)的蛋白質(zhì)含量,降低胞漿蛋白質(zhì)含量,進一步闡明了高核苷酸酵母水解物對FFA 誘導的HepG2 氧化損傷的保護機制。
圖7 HNYH 對FFA 誘導HepG2 細胞中Nrf2 活化與轉(zhuǎn)位的影響Fig.7 Effects of HNYH on activation and translocation of Nrf2 in HepG2 cells induced by FFA
結(jié)果表明,HNYN 具有較高的體外抗氧化活性,并能以質(zhì)量濃度依賴性的方式清除DPPH 和羥自由基,提高總還原力。MTT 試驗結(jié)果顯示100~1 000 μg/L 的HNYN 對HepG2 細胞存活率無顯著影響。建立游離脂肪酸誘導HepG2 氧化應激細胞模型,發(fā)現(xiàn)HNYN 通過降低細胞內(nèi)ROS 的水平,改善抗氧化物酶SOD 和GSH-Px 的活性,緩解細胞內(nèi)氧化損傷,并且與HNYN 質(zhì)量濃度呈正相關。RT-PCR 試驗結(jié)果顯示,HNYN 能顯著提高Nrf2、HO-1 和NQO-1 的mRNA 表達水平,并隨著質(zhì)量濃度增大降低keap1 的mRNA 表達水平。免疫印跡試驗發(fā)現(xiàn),高核苷酸酵母水解物能夠顯著增加HepG2 細胞核內(nèi)Nrf2 的蛋白質(zhì)含量,降低胞漿內(nèi)Nrf2 蛋白質(zhì)含量,表明HNYN 對FFA誘導HepG2 細胞氧化損傷的保護作用與增強細胞抗氧化酶活性、降低自由基水平相關。進一步表明HNYN可通過調(diào)節(jié)Keap1-Nrf2 信號通路,發(fā)揮其對FFA 誘導HepG2 細胞氧化損傷的保護作用。
本研究結(jié)果表明HNYN 具有顯著的體外抗氧化活性,并且能夠通過激活Nrf2 通路減輕FFA誘導的HepG2 氧化應激損傷,為HNYN 作為一種抗氧化食品原料成分提供了理論依據(jù)。然而,本試驗只評價了高核苷酸酵母水解物的體外抗氧化活性,酵母核苷酸單一成分的功能性仍需要更深入的研究。