植物甾醇生理功能的线粒体调控机制

时间：2019-04-05作者：沧州市宝来金康生物科技股份有限公司浏览：558

       植物甾醇是一类在植物中广泛存在的生物活性物质，在食品、医药、化妆品等领域具有广阔应用前景．植物甾醇作为 胆固醇类似物可抑制胆固醇肠道吸收进而降低血液中胆固醇水平、降低心血管疾病风险；此外，植物甾醇还具有抑癌、抗炎 退热、抗氧化和类激素等多种功能．从亚细胞及分子水平深入探究植物甾醇的生物作用机制有助于充分开发植物甾醇的应用 价值．线粒体是细胞能量物质代谢较重要的场所，胆固醇代谢、癌细胞增殖与凋亡、氧化应激和炎症反应等都与线粒体功能 密切相关．近年来研究提示植物甾醇可在多种模型中调控线粒体功能，这可能是植物甾醇发挥各种生物学功能的重要潜在机 制．本文将首先整理归纳植物甾醇生物学功能，并在此基础上详细讨论其线粒体相关调控机制，以期为领域内基础研究者提 供*思路和进展报告，并为植物甾醇的应用提供参考依据．
关键词 β- 谷甾醇，胆固醇，*，线粒体膜电位，抗氧化酶 学科分类号 Q548，Q73 DOI: 10.16476/j.pibb.2018.0116
生物化学与生物物理进展 Progress in Biochemistry and Biophysics 2018, 45(12): 1240~1249 www.
综述与专论ReviewsandMonographs
* 国家自然科学基金青年项目(31600682)资助. ** 通讯联系人.
Tel: 029-82665249, E-mail: zhaolin2015@ 收稿日期：2018-04-14，接受日期：2018-07-16
植物甾醇(phytosterol)，也称植物固醇(plant sterol)，是一种具有生物活性的甾体类化合物，是 构成植物细胞生物膜的重要组成部分[1]，广泛存在 于各种植物中．它在各种油料类植物中的含量相 对较高，因此在植物油及其精炼后的下脚料中广泛 存在[2]．植物甾醇一般为粉末状或片状的白色固 体，密度大于水，且不溶于水，但可溶于部分** 溶剂中．它的熔点较高，约为 130℃～140℃[3]．植 物甾醇是以多菲为主体骨架(甾核)的三萜 类化合物(图 1)，通常含有 28～29 个碳原子，形成 3 个六元环和 1 个五元环．在分子结构上，C-3 位 上连有的羟基是植物甾醇的主要活性基团，大部分 植物甾醇在 C-5 位有一个双键，C-17 位连有一个 含 8～9 个碳的侧链 R 基．植物甾醇在结构上与胆 固醇相似，区别只在于 C-17 位上连有的 R 基不 同，例如 β- 谷甾醇(植物甾醇的一种)相对于胆固 醇只是在侧链基团上多了一个乙基[1, 4-5]．植物甾醇 的种类繁多，现已鉴别出的植物甾醇及衍生物有 200 多种[2],根据侧链的不同可将植物甾醇分为 4- 无 甾醇、4- 甾醇和 4、4′- 二甾醇[4]，目 前研究较多的则为 4- 无甾醇，包括 β- 谷甾
菜油甾醇
谷甾醇
豆甾醇
胆固醇 R=
R=
R=
R=
OH
3
2
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R
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醇、菜油甾醇、菜籽甾醇和豆甾醇等．的植物 甾醇还可以分为游离型和酯化型[5]，酯化型是指植 物甾醇与酸发生酯化反应后形成的植物甾醇酯，主 要存在于谷物类，包括甾醇酯、甾醇油酸酯 等，它的吸收利用率比游离型高．自然界中含有双 键的植物甾醇被化后可形成饱和的植物甾烷醇， 植物甾烷醇较甾醇疏水性更强，溶解度更低． 作为胆固醇的类似物，植物甾醇被较早且较为 广泛认可的生理功能是能够减低血液中低密度脂蛋 白 - 胆 固 醇 (low-density lipoprotein cholesterol， LDL-C)水平，即具有降血脂作用，因此对于心血 管疾病(cardiovascular diseases，CVDs)有防治效 果．近年来，关于植物甾醇的研究多集中在它的抗 癌作用上．此外研究表明植物甾醇还具有抗炎退 热、抗氧化和类激素等作用，因而能够被应用于医 药、食品加工和饲料行业中[6-7]． 线粒体是真核生物中一种十分重要的细胞器， 它除了是细胞能量供应的“动力工厂”外，还是许 多重要生理活动和物质代谢的发生场所，其中包括 胆固醇的代谢转运、炎症反应、细胞凋亡、癌症发 生、氧化应激和甾体类激素合成等生理活动，其 次，线粒体也是由磷脂双分子层构成的具有双层膜 结构的细胞器，植物甾醇作为固醇的一种，也能嵌 入到线粒体膜结构中影响线粒体的功能．所以植物 甾醇可能通过调控线粒体功能而发挥各种生理功能. 1 植物甾醇的生理功能 植物甾醇的生理功能总结于图 2． 1．1 植物甾醇的降胆固醇作用 植物甾醇较早被研究发现的是其降胆固醇作 用，早在 1951 年，Peterson 等[8]通过给鸡喂食大豆 甾醇，发现鸡血清中胆固醇水平明显下降．1953 年植物甾醇对人类高胆固醇症的**效果也被发 现[9]，自此关于植物甾醇的降胆固醇效果被越来越 多的研究所证实．2003 年，Katan 的研究中对 41 个实验的 meta 分析结果显示成年人平均摄入 2 g/d 的植物甾醇能使血液中 LDL-C 的浓度降低 10%[10]， 进一步研究表明，植物甾醇主要通过减少胆固醇的 肠道吸收来降低血液中的胆固醇水平，2 g/d 的植物 甾醇摄入使 LDL-C 的肠道吸收减少 30%～40%[11]. 同时，植物甾醇还有辅助他汀类(statin)药物降血脂 的作用，8 个研究(包含 306 个病人)的随机对照 meta 分析结果表明，相比于单一他汀类的**， 1.7～6 g/d 植物甾醇或植物甾烷醇与他汀类的共同
作用更能显着降低总胆固醇(total cholesterol，TC) 和 LDL-C[12]． 植物甾醇降胆固醇的主要机制是由于它与胆固 醇具有相似的结构，而且疏水性更强，因此能竞争 性地抑制或取代肠内对胆固醇的吸收，并且植物甾 醇能够通过促进胆固醇的异化作用及抑制胆固醇在 肝脏内的合成，从而降低机体内胆固醇的含量[13-14]. 在 Wang 等[15]的研究中发现，植物甾醇 C3 位上的 羟基，对于植物甾醇降低胆固醇活性十分重要，通 过化或乙基化封闭 C3 位的羟基，形成 β- 谷 甾醇的衍生物，给仓鼠喂食衍生物后并不能改善 5 mmol/L 高胆固醇饮食组仓鼠血浆中的胆固醇浓度. 在植物甾醇降胆固醇作用被广泛认可后，市场 上添加植物甾醇的功能性食品的种类也越来越丰 富，因为食物中的植物甾醇含量相对较少，所 以目前主要将提纯精炼的植物甾醇添加到包括高脂 或低脂的牛奶、酸奶、水果或蔬菜汁等含植物 甾醇的食物中[16]． 1．2 植物甾醇的*作用 植物甾醇对乳腺癌[17]、**腺癌[18]、肺癌[19]、 卵巢癌[20]、肠癌[21]等多种癌症都有抑制作用．乳腺 癌和**腺癌是在欧美国家发病率较高的两种肿 瘤，但在亚洲国家的发病率则相对较低，出现这种 状况的一部分原因在于饮食习惯的不同，相对而 言，欧美国家对于动物源食物摄入较多，对于植物 源食物摄入较少，而植物源食物由于富含一些包括 植物甾醇在内的植物素，因而被认为可能具有* 作用． 乳腺癌是女性中发病率较高的一种恶性**[22]. 近些年来关于植物甾醇的*作用在乳腺癌中也得 到了验证．Awad 等[23]的研究表明用 β- 谷甾醇连续 处理 72 h 可使乳腺癌 MDA-MB-231 细胞生长减少 70%．胆固醇代谢在乳腺癌的发展中也起到重要作 用，乳腺癌细胞中胆固醇水平较高[24]，而植物甾醇 能使胆固醇水平显着降低．植物甾醇还能改变癌细 胞膜的结构和功能，它能够通过抑制基膜细胞的浸 润来减少癌细胞的转移，限制癌细胞与基膜间的黏 附作用[25]．动物实验结果也表明在高脂食物中添加 植物甾醇能抑制鼠乳腺癌细胞的生长[17]． **腺癌是男性中发病率较高的一种恶性肿 瘤，植物甾醇对**腺癌也具有抑制作用．用 β-谷甾醇和菜油甾醇的复合物处理**腺癌 DU145 和 PC-3 细胞 72 h，细胞的生长被显着抑 制，同时细胞流式法测定结果表明细胞多处于
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1．3 抗炎退热作用 经植物甾醇预处理后的小鼠模型中，在诱导 自 身 脑 脊 髓 炎 (experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE)产生时，发现植物甾醇能 使 EAE 的起始延缓 2 d，使疾病的严重程度降低 55%，并发现在**神经系统中，炎症浸润减少 82%，相关的促炎症因子的表达降低[28]．在 Kim 等[27]的试验中，连续摄入 8 w 的谷甾醇(20 mg/kg) 可抑制高脂饮食引起的 C57BL/6J 小鼠体内促炎症 细胞因子和内毒素(lipopolysaccharides，LPS)的增 加．在高脂饮食诱发的结肠炎中，谷甾醇能降低结 肠 的 炎 症 反 应 ， 抑 制 髓 过 氧 化 物 酶 (myeloperoxidase，MPO，与肠道炎症严重程度正 相关)的活性及促炎症因子的表达．
谷甾醇能显着抑制经 LPS 处理后肠巨噬细胞 中促炎症因子和炎症相关酶环氧化酶 2 (cyclooxygenase2，COX2)和诱导型一氧化氮合酶 (inducible nitric oxide synthase，iNOS)的表达，以 及核转录因子 κB(nuclear transcription factor-kappa B, NF-κB)的*[27]．C 反应蛋白(C-reactive protein, CRP)是机体受到微生物入侵或组织损伤等炎症刺 激时肝细胞合成的一种急性相蛋白，它对炎症的高 度敏感性使其成为广泛研究的血液炎症标记物， Rocha 等[23]的文章中对 20 个研究进行 meta 分析， 结果表明平均 2.24 g/d 的植物甾醇摄入能降低血液 中的 CRP 浓度．植物甾醇还具有类似抗炎药物 化可的松的抗炎作用和阿司匹林的退热作用，而且 不具有药物*[6]．
G0/G1，即植物甾醇能使细胞周期停滞，促进细胞 趋于凋亡．植物甾醇的*机制存在于以下几个方 面：提高抗氧化酶活性，减少活性氧(reactive oxygen species，ROS)的产生；使细胞周期停滞， 抑制癌细胞生长和增殖；减少癌细胞的浸润，抑制
癌细胞转移；减少癌症组织中的血管生成；促进凋 亡途径；减少血液中的胆固醇水平，抑制胆固醇进 入**细胞膜脂筏中，进而减少抗凋亡信号而促进 凋亡，较终降低患癌风险[25-26]．
Fig. 2 The physiological functions of phytosterol 图 2 植物甾醇的生理功能
降低胆固醇 * 类激素 抗氧化抗炎退热
植物甾醇
类固醇类激素 合成的前体， 类雌激素，与 雌激素受体亲 和
增强线粒体抗 氧化酶活性
抑制促炎症因 子的表达
抑制癌细胞生 长、增殖和转 移；促进凋亡 途径
胆固醇类似物： 降低胆固醇的 肠道吸收；增 加胆固醇的排 泄
雌二醇
睾酮
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1．4 抗氧化作用 当线粒体膜上的电子传递链发生质子漏时，能 够产生氧自由基，过多的氧自由基会使脂质过氧化 而损伤细胞膜，而且能使 DNA 发生氧化损伤而突 变．线粒体内的多种抗氧化酶能够*过多的自由 基，构成机体内重要的抗氧化系统[28]．研究表明植 物甾醇能增强线粒体中抗氧化酶活性，提高谷胱甘 肽还原型 / 氧化型 (GSH/GSSG)的比率，并减少线 粒体 ROS 的产生．在 RAW264.7 巨噬细胞中，豆 蔻酸佛波醇 (phorbol 12-myristate 13-acetate， PMA)能诱导细胞氧化损伤，在经 50 μmol/L 的 β谷甾醇处理后，GSH/GSSG 的比率、锰**氧化物歧 化酶(Mn superoxide dismutase，MnSOD)和谷胱甘 肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx)活性明 显增加[29]．Shi 等[30]的实验表明，当 β- 谷甾醇融入 海马神经细胞 HT22 的质膜中时，能抑制葡萄糖氧 化酶诱导的细胞中 ROS 的产生和脂质的过氧化． β- 谷甾醇也能够进入大脑，并能在脑细胞质膜中 累积，抑制脂质过氧化，因而对与脂质过氧化相关 的阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)拥有潜 在的缓解作用[31]．然而，也有研究表明植物甾醇能 减少脂溶性抗氧化剂 β 胡萝卜素(维生素 A 前体)、 番茄红素和 α 生育(维生素 E)的吸收[1]，因此也 可能对机体内的抗氧化系统产生*． 植物甾醇的抗氧化功能在于其分子结构中含有 亲水性羟基和碳碳双键，容易发生氧化反应．其 次，当发生自由基反应时，侧链 R 基上含有的一 个亚乙基，能快速形成一个自由基，并随即异构 化为叔自由基，由于叔自由基比脂肪酸碳中心的 自由基更稳定，因而能够保护脂肪酸链免受氧化损 伤[3,32]． 1．5 类激素作用 植物甾醇的类激素作用表现在两个方面，首先 植物甾醇是合成固醇类激素的前体，因其含有 3β羟基和 5、6 位双键的结构特征，因此在肠道菌群 的作用下可以发生生物转化，如侧链发生裂解后可 生成 19C 固醇如睾酮(testosterone)、雄烯二酮 (androstenedione， AED)、 1, 4 雄 烯 二 酮 (androstadienedione，ADD)[32]．其次植物甾醇具有 类雌激素作用，并对雌激素受体具有亲和力，植物 甾醇能够增加雌鼬血浆中雌二醇和促黄体素的水 平，还能诱导性未成熟雌性虹鳟鱼卵黄蛋白原的形 成[33]，植物甾醇因具有类雌激素作用而在动物生产 中有很好的应用价值，能够改善动物的繁殖性能．
2 植物甾醇对线粒体的影响及其发挥生理 功能的线粒体调控机制
植物甾醇发挥生理功能的线粒体调控机制总结 于图 3． 2．1 植物甾醇改变线粒体膜的流动性和膜电位， 调控线粒体凋亡途径 目前认为细胞凋亡的途径主要分为两种[34]，* 一种是死亡受体途径，也称为外源性途径，即由死 亡受体(如 Fas、TNF)与 FADD 结合* caspase 级 联通路；*二种是线粒体途径，也称为内源性途 径，即由 Bcl-2 家族的凋亡前蛋白信号起始，刺激 线粒体内细胞色素 c(cytochrome C，Cyt C)释放， 从而与凋亡蛋白酶活化因子 1(apoptosis protease activating factor1，Apaf1)结合形成多聚体，招募激 活 caspase9 聚集成凋亡小体，进而使 caspase3 发 生剪切而活化，启动 caspase 级联的凋亡程序．此 外，线粒体凋亡途径也可不依赖于 caspase 途径， 通过线粒体释放凋亡诱导因子(apoptosis induce factor，AIF)直接诱导凋亡发生[35]．乳腺癌细胞分别 用 60 μmol/L 和 90 μmol/L的 β- 谷甾醇处理 24 h 后，用 JC-1 法测定结果表明相比于对照组，JC-1 单体 / 聚合物比率分别提高 4.5 倍和 5 倍，表明 β谷甾醇能显着性地使癌细胞的线粒体膜电位 (mitochondrial membrane potential，MMP)去较化， 线粒体膜电位下降被认为是细胞凋亡早期的一个重 要特征，能够诱导线粒体膜发生一系列反应，促进 细胞凋亡的发生[36]．在肺癌细胞 HepG2 中发现， 分别用 5、10和 20 μmol/L的豆甾醇处理 24 h 发现 MMP 呈现浓度依赖性降低，位于 G0/G1 及 G2/M 期的细胞数目明显增多，细胞凋亡水平增加[37-38]． 在非小细胞肺癌 A549 细胞中的较新研究成果显 示，200 μmol/L的 β- 谷甾醇能够明显通过 p53/p21 的*引起 A549 细胞 caspase-3 和 9 活化，流式 细胞仪检测 Annexin V-FITC 阳性细胞增多、PARP (多腺苷二核糖聚合酶)失活，PARP 本身是修 复 DNA 损伤的，但在执行凋亡过程中，被 caspase3 作用而失活，通过 caspase3 作用而剪切， 促进细胞解体，并作为细胞发生凋亡的标记)、 Bcl-2/Bax 比例改变、MMP 降低和 Cyt C 释放，从 而引起细胞凋亡[37-38]．相同的通过植物甾醇引起线 粒体膜电位改变，从而诱导癌细胞凋亡的机制还在 人胃癌细胞 AGS[39]、多发性骨髓瘤细胞 U266[40]、 乳腺癌细胞 MDA-MB-231[36]以及 N- 二乙基亚硝胺
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和氮基三铁诱导的大鼠肾癌模型[41]等癌细胞及 动物癌症模型中存在，而且在肌管细胞 L6[42]、多 发性骨髓瘤细胞 U266[40]、小鼠成肌细胞 C2C12[43] 以及人胃癌细胞 AGS[39]中均发现 β- 谷甾醇诱导的 AMPK 的*在促进细胞凋亡及死亡中发挥重要 作用，且 AMPK 的化水平呈现 β- 谷甾醇浓度 依赖性．并且 Awad 等[44]在乳腺癌细胞中发现，β- 谷 甾醇能够诱导抑制某些特定**细胞在体外的生 长，降低**成瘤的大小及转移．此外，该研究还 发现 β- 谷甾醇诱导的外源性细胞凋亡途径主要通 过提高 Fas 受体的表达及 caspase8 的活性来促进凋 亡．因此表明植物甾醇处理后可以同时通过外源及 内源凋亡途径促进细胞凋亡，内源性细胞凋亡途径 主要通过改变线粒体膜电位促进癌细胞的凋亡． 对于正常细胞，植物甾醇却能抑制某些损伤引 起的细胞的凋亡，Li 等[45]的研究中，0.024 μmol/L 或 2.4 μmol/L β- 谷甾醇都能抑制辐射引起的胸腺 细胞的凋亡，主要是通过减少线粒体膜间隙中凋亡 相关蛋白的流出，包括抑制 Cyt C 释放到胞质，同 时减少 AIF 的线粒体核转运，抑制辐射诱导的 caspase3 的活化、PARP 的失活、JNK(氨基末端激 酶)的化和*蛋白 1 (activator protein 1， AP-1，是 JNK 的下游转录因子)的*，未活化的 JNK 不能化 Bcl-2，从而阻碍线粒体凋亡途径， 抑制正常细胞凋亡． Shi 等[30]的研究表明，用 15 μmol/L β- 谷甾醇 处理海马神经细胞的线粒体后，能增加线粒体内膜 的流动性，而不影响外膜的流动性，还能提高线粒 体的膜电位．文献研究提示植物甾醇影响线粒体膜 电位的机制在于组成线粒体内膜(inner membrane， IM)和外膜(outer membrane，OM)的脂质种类不 同．外膜由饱和磷脂组成，并且富含胆固醇，胆固 醇(包括其类似物—— —植物甾醇)促进饱和磷脂形成 高度有序的脂筏样膜结构域，进而帮助维持外膜的 稳定性；而线粒体内膜胆固醇较少，主要是由不饱 和的磷脂分子构成的，胆固醇(植物甾醇)与不饱和 的磷脂间的双键相互作用，能使内膜变得无序而增 加其流动性，因此增加线粒体的膜电位[46]．在 C2C12 细胞中也发现同样的现象，用 15 μmol/L β- 谷甾醇处理细胞后，线粒体内膜流动性增加进 而增加线粒体电子传递，提高线粒体膜电位[47]． 综上，植物甾醇对于癌细胞具有抑制作用，能 降低癌细胞线粒体膜电位，诱导线粒体凋亡途径， 进而促进癌细胞凋亡，对于人体正常细胞植物甾醇
却具有保护作用，能通过增加膜的流动性提高线粒 体膜电位，促进线粒体的功能，同时也能通过减少 Cyt C 和 AIF 的和转运抑制正常细胞的凋亡． 2．2 植物甾醇增加线粒体中 GSH/GSSG水平和抗 氧化酶的活性，影响 ROS 释放水平 植物甾醇能通过增加线粒体中 GSH/GSSG 水 平来缓解心肌缺血再灌注诱发的心肌损伤，在该心 肌损伤动物模型中，3.5 μg/kg 和 35 μg/kg 的 β- 谷 甾醇能使雌性大鼠心肌损伤导致的乳酸脱酶逸出 (LDH-leakage) 分 别 减 少 17% 和 31% ， 使 GSH/ GSSG 水平分别提高 **和 128%，同时在非损伤 动物模型中，β- 谷甾醇也能增加雌性心脏中线粒 体谷胱甘肽氧化状态，但都对雄性动物没有影响[48]. 植物甾醇对于心脏保护作用的性别依赖性被认为主 要是由于雄性动物对植物甾醇吸收利用效率低，排 泄速度快．雌性小鼠对食物中植物甾醇的肠道吸收 效率是雄性的 1.3 倍，而且吸收后的植物甾醇直到 4 d 后还依然在雌性的某些组织器官中有一定量的 存在，雄性动物则在 1 d 以后就将大部分的植物甾 醇排泄出体外，并且部分植物甾醇能够在雄性动物 性腺中被转化为类固醇类激素[49]，因此降低了植物 甾醇在雄性动物中的抗氧化作用．研究还发现，分 别给予雌性大鼠 3.5 μg/kg 和 35 μg/kg β- 谷甾醇都 可以保护 CCl4 所导致的肝毒性，机制与保护心肌 损伤类似，主要通过谷胱甘肽还原酶介导的线粒体 内谷胱甘肽氧化还原循环增加有关，使肝脏内 GSH/ GSSG 水平升高，防止 ROS 损伤．此外， β- 谷甾醇能够诱导肝脏内线粒体异柠檬酸脱酶活 性增加．异柠檬酸脱酶的活性对于 NADPH 的供 给十分重要，NADPH 含量的增加为 GSSG 还原为 GSH 提供了更多的底物，促进肝脏内 GSH/GSSG 水平升高[50-51]．在非小细胞肺癌 A549 细胞中，β谷甾醇通过抑制 Trx/Trx1 还原酶活性诱导过量 ROS 产生，ROS 积聚引发 DNA损伤，从而破坏癌 细胞的生理功能[49]．Ojo 等[52]的研究中发现，小麦 胚芽中含有大量的植物甾醇，小鼠给予 10%的小麦 胚芽饮食后，可恢复高脂饮食所引起的线粒体复合 物 2 水平的增加，线粒体复合物 2 水平的增加提示 代谢压力增加，且小麦胚芽饮食可以恢复高脂饮食 引起的 MnSOD 水平的下降．在 Li 等[45]的研究中发 现 β- 谷甾醇能抑制经辐射处理的胸腺细胞中 ROS 的增加，维持线粒体膜的稳定性，同时还增加包括 SOD(superoxide dismutase，SOD)、GPx 和过氧化 酶(catalase，CAT)等抗氧化酶的活性．

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