人才强校 - 中国农大呙于明教授团队在染料木黄酮调控肠道稳态领域取得重要进展

近日，中国农业大学动物科学技术学院呙于明教授团队在国际权威期刊《药理学研究》（Phamarcological Research）发表了题为“日粮染料木黄酮增加肠道微生物来源的短链脂肪酸水平、调节衰老肠道的稳态、延长健康期”（Dietary genistein increases microbiota-derived short chain fatty acid levels, modulates homeostasis of the aging gut, and extends healthspan and lifespan）的研究论文，首次发现染料木黄酮改善老龄肠黏膜屏障功能的良好效果，并初步揭示了其改善微生态失调和黏膜免疫功能紊乱的分子机制。

我国是鸡蛋生产和消费大国，延长产蛋周期和改善蛋品质是行业的共同目标。而蛋鸡产蛋后期的产蛋性能和蛋品质下降的一个重要原因是其肠道功能衰老所致。大量证据表明，随着机体的衰老，肠道功能在器官和细胞水平上也会出现明显下降，表现为营养消化吸收能力变弱、肠黏膜屏障功能受损、免疫功能紊乱和微生态失调等。此外，炎症状态加剧是肠道衰老的标志之一。肠道健康是饲料高效利用的前提、是鸡只生长表现和养殖利润的主要驱动器，因此通过改善肠道健康、降低肠道炎症进而延长蛋鸡产蛋周期是实现“饲养100周产500枚优质鸡蛋”的重要保障。

营养干预可以延缓衰老并改善衰老相关疾病。大量研究表明植物活性成分具有良好的抗炎、抗衰老作用。饲用抗生素禁用后，通过植物提取物来降低肠道炎症、修复肠黏膜屏障功能从而改善老龄蛋鸡健康状态具有重要社会意义和经济价值。染料木黄酮（Genistein）是一种多酚化合物，其结构和雌激素类似（如图1所示），是大豆、咖啡豆等豆科植物的重要活性成分，具有抗炎、抗氧化等多种生物学功能。团队前期围绕大豆黄酮对家禽的营养调控功能做了大量研究工作，发现染料木黄酮能够改善脂多糖、大肠杆菌诱导的肉鸡肠道损伤、改善蛋鸡生殖系统功能以及改善产蛋后期蛋鸡的骨骼健康（Lv, Z. et al. 2019，2020; Zhang, M. et al. 2020）。然而染料木黄酮对老龄畜禽肠道稳态的应用效果和作用机制无据可循。

图1 Genistein的结构和功能

该研究首先分析了产蛋高峰期和老龄蛋鸡肠黏膜屏障功能的差异并解析其与蛋鸡产蛋性能和蛋品质之间的关系。发现随着蛋鸡周龄的增加，其产蛋性能和蛋品质出现明显的下降。此外相较于产蛋高峰期蛋鸡，老龄蛋鸡肠黏膜屏障功能出现紊乱，表现为微生态失调，肠上皮更新能力下降，肠绒毛萎缩及肠道免疫细胞功能失衡，肠道出现慢性炎性。随后该项目探究了不同植物提取物添加剂如染料木黄酮、槲皮素、甜菜碱对老龄蛋鸡产蛋性能和蛋品质下降的改善作用。实验结果表明长期饲喂染料木黄酮能够显著提高老龄蛋鸡产蛋性能。进一步研究表明染料木黄酮能够改善老龄蛋鸡肠上皮屏障功能，并改善其肠道微生态紊乱。通过流式细胞术分析发现Genistein能够降低肠道固有层巨噬细胞源白细胞介素6（IL-6）和肿瘤坏死因子α（TNF-α）的表达水平，上调肠道固有层调节性T细胞源白细胞介素10（IL-10）的表达量（如图2所示）。

图2 染料木黄酮对肠道黏膜免疫的调控作用

然后，利用野生型衰老小鼠和Zmpste24-/-早衰小鼠，进一步探究染料木黄酮改善肠黏膜屏障功能的潜在分子机制。研究发现，连续饲喂染料木黄酮从18月龄一直到小鼠自然死亡，染料木黄酮能够显著延长老龄小鼠的中位数寿命（9.3%）、平均寿命（9.2%）以及最大寿命（10.0%）。此外日粮染料木黄酮能够降低老龄机体31种衰老相关临床症状指标评分以及血清中衰老相关分泌表型的表达水平。进一步研究表明染料木黄酮能够改善老龄小鼠肠上皮屏障功能，表现为降低肠道干细胞耗竭、改善肠上皮再生障碍、降低肠道炎症水平。同时16 S肠道微生物测序结果表明染料木黄酮能够显著增加Lachnospiraceae NK4A136的丰度，此外KEGG通路分析表明染料木黄酮能够提高肠道菌群短链脂肪酸的合成能力。短链脂肪酸靶向代谢组结果表明染料木黄酮能够增加肠道内容物中短链脂肪酸如乙酸、丙酸、丁酸的浓度。随后将对照组和染料木黄酮组衰老小鼠粪便移植到早衰小鼠体内。菌群移植（FMT）及脏笼共享（dirty cage-sharing）实验结果表明染料木黄酮组小鼠粪便能够延长早衰小鼠的寿命，改善其肠黏膜屏障功能异常以及微生态失调，增加肠道Lachnospiraceae NK4A136的丰度以及短链脂肪酸的合成量。说明在染料木黄酮延缓衰老主要是通过和肠道菌群协助来实现的。随后该研究构建了TNF-α诱导的衰老肠道类器官炎症模型，体外实验结果表明染料木黄酮对肠上皮屏障的保护作用主要是通过乙酸盐和丙酸盐来实现的。同时流式细胞术结果表明染料木黄酮能够促进调节性T细胞分泌IL-10，改善巨噬细胞介导炎性应答。随后利用Transwell小室共培养技术以及流式分选技术构建了调节性T细胞和巨噬细胞共培养模型，结果表明丙酸盐能够刺激Treg细胞分泌IL-10，抑制巨噬细胞分泌IL-6和TNF-α。

图3 染料木黄酮改善老龄肠黏膜屏障功能的作用机制

该研究探究了染料木黄酮调控老龄肠道炎症的调控机制，研究成果加深了人们对老龄畜禽肠道炎症发生机制的认知，对改善老龄畜禽肠道健康营养策略制定及染料木黄酮作为饲料添加剂在畜禽养殖业中的应用提供了依据和支撑。同时，该研究也为染料木黄酮在延缓人类衰老中的应用提供新的视角。

中国农大动物科技学院呙于明教授团队的张炳坤副研究员为论文通讯作者，动物科技学院2019级博士生侯起航为论文第一作者。该工作获得了国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项、中国农业大学2115人才培育发展支持计划的资助以及中央高校基本科研业务费专项资金的资助。

供稿：动物科学技术学院

供图：动物科学技术学院

编辑：李杨

责编：赵竹村