肌醇通过激活SIRT5/Nrf2信号通路缓解牛乳腺上皮细胞中的氧化应激

《Animal Research and One Health》：Myo-Inositol Mitigates Oxidative Stress in Bovine Mammary Epithelial Cells via Activation of the SIRT5/Nrf2 Signaling Axis

　　红ox失衡是高产量奶牛乳腺组织氧化应激的核心问题，肌醇（MI）通过激活Sirt5/Nrf2通路促进线粒体融合，缓解氧化应激。

　　高产奶牛在长期高强度泌乳过程中，其乳腺组织易受到氧化应激的影响，进而引发氧化还原失衡。这种状况不仅影响奶牛的泌乳寿命，还可能导致乳腺疾病的发生和乳产量的下降。本研究通过对比高产奶牛与普通产奶牛的乳腺组织，揭示了高产奶牛存在显著的氧化应激现象，表现为总抗氧化能力下降、谷胱甘肽（GSH）水平升高、丙二醛（MDA）和过氧化氢（H?O?）含量增加，同时超氧化物歧化酶（SOD）活性降低。这些结果表明，高产奶牛的乳腺组织确实面临更高的氧化应激风险。进一步的实验发现，高产奶牛的线粒体功能紊乱，表现为线粒体动态失衡，即线粒体融合蛋白（如OPA1、MFN1和MFN2）表达水平下降，而线粒体分裂蛋白（如FIS1和DRP1）表达水平上升。这表明线粒体在高产奶牛的乳腺组织中倾向于分裂而非融合，从而影响其功能和稳定性。

为了进一步探索这一现象的机制，本研究采用了一种体外模型，即使用过氧化氢（H?O?）刺激的牛乳腺上皮细胞（MAC-T细胞）来模拟氧化应激环境。通过这一模型，研究团队验证了氧化应激条件下MI的耗竭、线粒体分裂的增加、细胞衰老的出现以及Sirt5蛋白表达的下降。MI的补充能够有效逆转这些变化，促进线粒体融合蛋白的表达，抑制线粒体分裂蛋白的表达，从而减轻氧化应激反应。研究还进一步探讨了MI发挥作用的分子机制，发现Sirt5的敲除会显著降低Nrf2的表达，而使用Nrf2抑制剂（如全反式视黄酸，RA）则会阻断MI的保护作用。这一发现表明，MI主要通过激活Sirt5/Nrf2信号通路来促进线粒体融合，从而发挥其抗氧化功能。这一机制的发现为理解MI在牛乳腺组织中的抗氧化作用提供了新的视角，并为未来研究其在调控线粒体功能和抗氧化能力中的作用奠定了基础。

氧化应激是哺乳动物泌乳过程中常见的生理反应，其核心机制涉及活性氧（ROS）的过度生成和机体抗氧化能力的不足。ROS是一类化学性质活泼的氧含物质，包括超氧阴离子（O?·?）、过氧化氢（H?O?）和羟基自由基（OH）等。这些物质在细胞代谢、线粒体电子传递链异常、某些酶促反应（如黄嘌呤氧化酶催化反应）等过程中产生。ROS的积累会对细胞内的多种生物分子造成损伤，包括蛋白质、脂质和DNA。具体而言，ROS可能通过直接或间接的方式改变蛋白质的结构和功能，降低酶的活性，从而干扰细胞代谢；攻击脂质中的不饱和脂肪酸，引发脂质过氧化反应，破坏细胞膜的完整性和流动性，影响细胞信号传导和物质运输；干扰DNA碱基结构，导致基因突变和染色体异常，进而增加细胞癌变的风险。因此，氧化应激对乳腺上皮细胞的长期影响可能导致乳腺功能的退化和疾病的发生。

为了深入了解MI在调控氧化应激中的作用，本研究通过代谢组学分析，比较了高产与普通产奶牛乳腺组织的代谢差异。结果显示，高产奶牛乳腺组织中MI的含量显著低于普通产奶牛，这一现象可能与氧化应激引起的MI耗竭有关。此外，代谢组学分析还发现，多个与氧化应激和衰老相关的代谢物在两组之间存在显著差异，其中一些关键代谢物如癸酸、L-苯丙氨酸、羟基苯乳酸、对羟基苯甲酸、诺福兰醇和MI的表达水平发生变化。这些代谢物的变化可能与氧化应激引起的代谢紊乱有关，进一步支持了MI在乳腺组织中可能发挥抗氧化作用的假设。

为了验证MI的抗氧化作用，本研究在体外实验中评估了不同浓度MI对MAC-T细胞的影响。实验结果显示，3000 μmol/L的MI浓度对细胞有毒性作用，因此选择了较低浓度的MI进行后续研究。在低浓度MI处理下，MAC-T细胞中线粒体融合蛋白（如OPA1、MFN1和MFN2）的表达水平显著上升，而线粒体分裂蛋白（如FIS1）的表达水平下降。这些结果表明，MI能够促进线粒体的融合，改善线粒体的功能状态，并增强细胞的抗氧化能力。同时，免疫荧光检测显示，MI处理后的线粒体网络结构更加完整，进一步支持了其促进线粒体融合的作用。

为了更深入地探讨MI的作用机制，本研究引入了Sirt5和Nrf2信号通路。实验发现，Sirt5的敲除会显著降低Nrf2的表达，而使用Nrf2抑制剂RA后，MI对线粒体融合相关蛋白的上调作用被逆转。这表明，MI可能通过激活Sirt5来增强Nrf2的表达，从而发挥其抗氧化功能。此外，MI在体外模型中能够显著提升GCLC、GCLM、NQO1和SOD等抗氧化相关基因的表达水平，而RA的加入则会削弱这一效应。这些结果进一步证实了MI主要通过激活Nrf2信号通路来发挥其抗氧化作用。

研究还发现，MI在体内和体外均能有效减轻氧化应激引起的细胞损伤。在体内实验中，高产奶牛乳腺组织中MI含量的下降与线粒体分裂蛋白的增加、融合蛋白的减少密切相关，这可能导致线粒体功能紊乱，进而加剧氧化应激反应。而在体外实验中，MI的补充不仅能够改善线粒体的动态平衡，还能通过促进线粒体融合，增强细胞的抗氧化能力，并延缓细胞衰老。这些发现表明，MI在维持乳腺上皮细胞功能和抗衰老方面具有重要的作用。

此外，研究还探讨了MI在其他生物系统中的作用，例如在小鼠心肌细胞中，Sirt5能够通过去乙酰化作用激活Nrf2，从而增强其抗氧化能力，减少心肌细胞的氧化损伤。在肝细胞中，Sirt5的过表达能够促进Nrf2的核转位，增强抗氧化相关基因的转录活性，降低细胞内ROS水平，保护肝细胞免受氧化应激的伤害。在肺上皮细胞中，Nrf2的激活能够通过直接结合和转录调控抗氧化相关基因，减少氧化应激引发的炎症和损伤。在神经细胞中，Nrf2的激活能够促进抗氧化酶和谷胱甘肽的合成，清除多余的ROS，降低氧化应激毒性，并维持神经细胞的正常功能。

综上所述，本研究揭示了MI在高产奶牛乳腺组织中通过调控线粒体动态平衡和激活Nrf2信号通路来减轻氧化应激的作用机制。这一发现不仅为理解MI的抗氧化功能提供了新的视角，也为未来研究其在调控线粒体功能和抗氧化能力中的作用提供了重要的理论依据。同时，研究结果也为改善高产奶牛的健康状况、延长泌乳寿命和预防乳腺疾病提供了潜在的策略。通过补充MI，可能能够有效缓解乳腺组织中的氧化应激反应，增强细胞的抗氧化能力，延缓细胞衰老，从而维持乳腺的正常功能。这一研究结果具有重要的应用价值，未来可以进一步探索MI在不同动物模型中的作用，并评估其在实际生产中的效果。