某些抗生素类生长促进剂和胆盐水解酶抑制剂作用机制

根源生物 2019-10-10 16:51:23

AGP 是畜禽养殖中用于促进平均日增重和饲料转化率而在饲料中添加的一类抗生素,这种养殖模式自从20 世纪50 年代就已经被广为采用,直到现在人们仍在使用抗生素并从中获得收益。但是用于促生长目的而使用的低剂量抗生素具有一定的风险。最近的流行病学研究表明,使用AGP 将导致耐药细菌的出现,并很可能会传播至人类,从而对食品安全和公众健康造成严重威胁。因此丹麦在1998 年全面禁用所有的AGP,欧盟也于2006 年禁用所有的AGP。然而人们发现禁用AGP 对一些国家的畜禽动物健康和生产性能造成了不利影响。因此对于饲料企业和饲料添加剂企业而言禁用AGP 是一个不小的挑战,人们急需一种有效的替代产品既能保证动物的生产性能不降低,又对公众健康不造成影响。

了解抗生素对微生物区系的影响将有助于我们深入了解抗生素的作用机理,并有助于开发出更加有效的手段通过对微生物区系的调整以促进动物生长。最近有研究考察了某些AGP 与肠道微生物区系之间的关系,清楚的表明BSH 对微生物区系的作用可能会影响宿主脂肪的消化和能量吸收。

1 某些AGP 的作用机制

使用AGP 与改善动物生长性能、调整肠道微生物区系之间存在某种联系,但是产生联系的确切机制至今还未阐述清楚,不过有研究表明某些低剂量的抗生素所具有的促生长功能与肠道中BSH 活性降低有关。比如在畜禽中广泛使用的四环素类抗生素和洛克沙砷。研究发现这类抗生素可以直接抑制肠道中的BSH 酶,促进脂质代谢并促进动物生长。Feighner 和Dashkevicz 提供的证据表明抗生素类饲料添加剂影响家禽肠道内容物中BSH 的水解和转化能,Knarreborg 等的研究表明在肉仔鸡饲料中添加低剂量的盐霉素和阿维霉素可以提高α- 乙酸生育酚的生物活性,这可能与非结合态胆盐浓度减少有关。并且Guban 等 发现日粮中添加AGP(杆菌肽和莫能菌素)可减少唾液乳酸杆菌数量并降低非结合态的胆盐浓,从而使肉仔鸡体增重和脂肪的消化率升高。这些研究结果表明,AGP的促生长效应可能是由于抗生素降低了BSH活性,并由此改善了宿主脂肪代谢能力。

2 某些AGP 对肠道微生物区系的影响

在饲料中添加低剂量的抗生素对试验动物肠道微生物区系的多样性和相对丰度产生了影响,有研究证明使用某些种类的AGP 能显著减少乳酸杆菌的数量[5-10],其中家禽肠道中主要的BSH 产生菌——唾液乳酸杆菌的数量会大幅降低。因此这些AGP 的促生长效应与BSH 活性降低高度相关。

3 BSH

3.1

 BSH 的特点

BSH 酶属于甘氨胆酸水解酶家族,同族酶中包括青霉素V 酰基转移酶。该家族都为氨基末端亲核水解酶(Ntn),N 末端是一个半胱氨酸残基。通过蛋白自身酶解移除初始的甲硫氨酸后,形成一个Cys-1 催化中心,这是Ntn水解酶超家族的特征。Cys-1 的巯基已经被证实为BSH 酶催化的必须结构。其他对BSH酶催化有用的氨基酸还有Asp-20、Tyr-82、Asn-175 和Arg-228, 这几个位点在BSH 酶中是高度保守的。BSH 酶能够同时识别氨基酸结合物和类固醇核,在发酵产生乳酸的益生素中乳酸杆菌和双歧杆菌 产生的BSH是比较丰富的,乳酸菌生成的大多数BSH 对甘氨酸- 结合态胆盐的水解能力要强于牛磺酸- 结合态胆盐。现在有越来越多的人意识到肠道BSH 在宿主脂肪代谢和能量获取方面发挥了重要作用,最近的益生素研究已经证明通过口服产生BSH 的乳酸杆菌可影响脂质代谢,从而降低人、鼠 和猪 体内的胆固醇水平。

3.2 BSH 为益生素应用带来的不利影响

BSH 为益生素应用带来的不利影响

在日粮中添加的益生素可以为畜禽养殖和动物健康带来许多益处,有相当多的试验报道了益生素的有益作用,尤其是在非理想的环境条件下对幼龄动物如小鸡和仔猪有效。但也有很多没有效果甚至是负面结果的报道。有许多原因会导致试验结果缺乏一致性,一些与动物有关,另一些与益生素自身有关。对于前者,动物个体的差异除外,影响动物肠道微生物区系还有很多因素,如日粮、应激和/ 或疾病。对于后者,菌种和菌株的选择,益生素的制备方法等因素都会影响益生素的使用效果。值得注意的是乳酸杆菌在家禽生产中是主要的益生素,这些微生物会产生BSH 降低脂肪的消化率,增加粘液的分泌,并增加肠道上皮细胞的周转率。这些不利因素将导致家禽在益生素使用过程中生长性能表现并不一致,最近有2 个研究小组 报道在肉仔鸡日粮中添加益生素(Protexin 和PoultryStar)可以显著降低体增重、脂肪消化率和饲料转化率。只有在了解了影响益生素发挥作用的种种不利因素后我们才有可能找到“消除不利影响”的方法(比如BSH 抑制剂),发现最优的益生素产品既能够提高动物的生产性能又能为饲料添加剂企业带来利润。

4 BSH 抑制剂及其作用机制

4.1 BSH 抑制剂

BSH 抑制剂

研究表明高剂量的铜和锌(铜最高添加量250 mg/kg,而锌最高添加量为3 000 mg/kg)有助于提高猪和鸡的饲料转化率并促进动物的生产性能。曾经有人认为高剂量铜和锌的促生长作用可能与其抑菌活性有关,但没有证据表明在畜禽日粮中添加高剂量的铜和锌能够像抗生素那样发挥抑菌活性,因此铜和锌可能通过其他机制提高动物的生产性能,Wang 等研究证明饲料中高浓度的铜和锌对肠道中的BSH 具有抑制作用,并提高脂质代谢水平使宿主获取更多的能量。然而动物饲料中长期使用高剂量的铜和锌会对宿主产生毒性并对环境造成污染。碘制剂如过碘酸钠、碘酸钠和碘酸钾对BSH 也具有很强的抑制效应,但是这些抑制剂能否作为饲料添加剂还需要进行谨慎的评估。由于含碘化合物参与形成甲状腺激素,在日粮中添加高剂量的碘制剂会显著提升基础代谢水平,尽管碘制剂对BSH 具有抑制效应,但实际上在日粮中添加碘制剂会造成动物体重降低。因此人们期待发现安全经济的BSH 抑制剂。这样的抑制剂能够有效抑制不同肠道内BSH 的活性,并且这种BSH 抑制剂能够像临床上使用的许多抗生素那样可穿越细胞膜,有效抑制细胞内或与细胞膜相关联的BSH。由于肠道内的环境远比体外试验复杂,要研发实际能够使用的BSH 抑制剂还需要考虑它在体内的稳定性和生物利用率。

目前方便快速的高通量筛选系统(HTS)已经成功的用于BSH 抑制剂的筛选。HTS 工作原理是利用BSH 酶的性质,将可溶的结合态胆盐变成不可溶的非结合态胆盐,从而形成明显的沉淀[3]。Smith 等[3] 在优化了各种筛选条件后,利用HTS 系统对一个含有2 240 种化合物的小型的样本库中进行了筛选,发现了几种比较有前途的BSH 抑制剂,可以作为AGP 的替代物,比如维生素B2 和咖啡酸苯酯,但还需要动物试验进一步考察这些BSH 抑制剂对畜禽动物生长性能的影响。

4.2 BSH 抑制剂作用机制

BSH 抑制剂作用机制

BSH 是由多种肠道共生微生物所产生的酶类,有研究表明使用AGP 显著降低了乳酸杆菌的数量,乳酸杆菌是肠道中产生BSH 的主要微生物种类,特别是唾液乳酸杆菌,它在家禽的肠道中是主要的乳酸菌,乳酸菌产生的BSH 可将肠道中 结合态胆盐水解成非结合态的胆盐,结合态胆盐由一个疏水的类固醇核结合于甘氨酸或牛磺酸形成的,因此结合态胆盐具有两亲特性,与非结合态胆盐相比结合态胆盐是一个高效的“生物洗涤”能乳化并增加脂肪的溶解能力,有助于脂肪消化。而微生物产生的BSH 干扰了结合态胆盐介导的脂肪代谢过程,对宿主能量利用产生了不利影响。通过在饲料中添加某些AGP 和BSH 抑制剂可使动物肠道内BSH 活性降低,这将导致结合态的胆盐相对丰度升高,并促进脂质代谢,有利于畜禽动物获取能量、提高饲料转化率以及体增重。基于这些观察结果,通过使用特别的抑制剂抑制BSH 的活性可能是改善畜禽动物生产性能的有效手段。

5 结论

使用某些AGP 如四环素和洛克沙砷能降低BSH 的活性,同时也降低了畜禽动物肠道中主要的BSH 产生菌- 乳酸杆菌的数量,了解抗生素的促生长机制将有助于新型抗生素替代产品的筛选。目前高通量筛选系统(HTS)已经成功用于BSH 抑制剂的筛选,这为寻找替代抗生素的BSH 抑制剂奠定了坚实基础。由于肠道内的环境远比体外试验复杂,将来研发实际能够使用的BSH 抑制剂还需要考虑其在体内的稳定性以及对动物宿主的影响。