论丁酸盐在动物生产的作用
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参与免疫调节丁酸等短链脂肪酸对免疫细胞的作用可能是由G蛋白偶联受体（gproteincoupledreceptors，GPRs）介导的。主要的短链脂肪酸受体有GPR41和GPR43，两者都存在于免疫细胞内。GPR43基因在多形核中性粒细胞中高度表达，在外周血单核细胞和纯化的单核细胞中的表达水平则较低。GPR41基因在外周血单核细胞中的表达情况同GPR43基因类似，但是在多形核中性粒细胞、单核细胞和树突细胞中不表达。GPR41和GPR432个受体基因在骨髓和脾脏中以及人类脂肪组织中则是同等表达的［25］。有试验发现缺乏GPR43的小鼠，表现出炎症加重的情况，这和免疫细胞的大量补充以及炎症介质生成的增加有关，提示了短链脂肪酸可能的免疫调节途径［26］。同时丁酸盐也能影响先天性免疫系统，抗菌肽在抵抗细菌感染中发挥着非常重要的防御作用，而丁酸盐能诱导人结肠、胃和肝脏细胞中抗菌肽基因的表达［25，27］。Wen等［28］试验表明，在21日龄断奶仔猪饲粮中添加1000mg／kg丁酸钠，21d后和对照组相比，显著降低了血清肿瘤坏死因子α（TNFα）和白细胞介素6（IL6）的水平（P＜0．05），显著降低了核转录因子κB（NFκB）的DNA结合活性（P＜0．05）。Weber等［29］研究表明，2．0mmol／L的丁酸盐显著抑制刀豆蛋白A（concanavalin，ConA）诱导的外周血液单核细胞（peripheralbloodmononuclearcells，PBMC）的增殖（P＜0．05），添加2．0mmol／L的丁酸盐，ConA激活的PBMC的干扰素－γ的分泌和其基因mRNA的表达量显著增加（P＜0．05）。激活的PBMC暴露在2．0mmol／L的丁酸盐下，显著减少了白细胞介素10（IL10）的分泌（P＜0．05）。Lu等［30］试验表明，在21日龄断奶仔猪饲粮中添加1000mg／kg丁酸钠，30d后和对照组相比，显著降低了血清中TNFα和IL6的水平（P＜0．05），得出了和Wen等［28］类似的结论。Zhang等［31］试验表明，在1日龄仔鸡饲粮中添加1g／kg丁酸钠，21d后和对照组相比，仔鸡血清IL6和TNFα的水平显著下降（P＜0．05），在给仔鸡注射大肠杆菌脂多糖后，丁酸钠的补充抑制了16日龄仔鸡血清IL6和α－1－酸性糖蛋白含量的增加，也抑制了20日龄TNFα、皮质酮、α－酸性糖蛋白和前列腺素－2水平的增加。
具有神经保护作用丁酸盐新的运用领域是缺血性中风的治疗，丁酸对缺血性损伤可能具有长期的益处。丁酸盐通过提高缺血性动物大脑的脑源性神经营养因子水平来促进缺血性大脑的神经原性和非神经原性区域的神经细胞再生。有临床研究表明，用丁酸钠处理缺血性大脑刺激了其神经细胞的增殖、迁移和分化。丁酸盐也在患有亨廷顿氏病的转基因小鼠模型中表现出了显著的神经保护作用［2，32－33］。在另一项小鼠试验中，显示丁酸钠能够刺激经历了脑缺血的小鼠的区域性神经细胞增殖［34］。丁酸盐对脑神经的直接营养作用表明了神经坏死区域的快速更新，且已经被细胞增殖学说所证实，而丁酸盐的间接作用则被认为是内分泌－神经－免疫系统的协同作用［35］。丁酸盐对肠道神经系统也有一定的作用，丁酸盐增加了乙酰转移酶免疫反应性肠肌间神经元的比例，增强了结肠蠕动性以及胆碱能通路电刺激诱导的收缩反应。丁酸盐所诱导的胆碱能表型和一元羧酸共转运体－2有关，而这个转运体在肠道神经元中被特定的检测出来。丁酸盐对乙酰转移酶表达的作用和酪氨酸激酶信号通路以及组蛋白H3的第9位赖氨酸残基的乙酰化作用有关，这表明丁酸盐在控制肠道神经系统中神经介质基因表达的过程中发挥了重要作用［1］，丁酸盐通过对肠道神经的作用来影响肠道的运动性能。1．4参与基因表达调控核心组蛋白的乙酰化在异染色质和常染色质之间的过渡与维护过程中发挥着重要作用。乙酰基的添加中和了核心组蛋白赖氨酸残基上的正电荷，解离了临近的核小体，使得DNA能够访问转录因子和其他调节因子［2］。乙酰化作用过程是通过组合2种互相竞争的酶来完成的，这2种酶分别是组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰化酶。组蛋白乙酰转移酶的功能是把乙酰基从乙酰辅酶A转移到保守的赖氨酸侧链的ε－氨基上，而组蛋白去乙酰化酶则是催化其从ε－氨基中移除乙酰基，从而恢复赖氨酸侧链上的正电荷，并且触发DNA和核小体之间的相互作用，从而关闭转录机制［36］。
丁酸盐等组蛋白去乙酰化酶抑制剂（histonedeaceylaseinhibitors，HDACi）能够引起染色质和其他非组蛋白蛋白质的乙酰化状态的改变，从而导致基因表达、细胞凋亡感应、细胞周期阻滞等活动的变化以及血管生成和转移的抑制。丁酸盐通过介导Sp1和Sp3基因结合位点来抑制组蛋白去乙酰化酶活性。Sp1和Sp3基因能够复原组蛋白去乙酰化酶－1（HDAC1）和组蛋白去乙酰化酶－2（HDAC2，被蛋白激酶－CK2磷酸化）的活性。丁酸盐抑制了Sp1和Sp3基因相关联的HDAC活性，从而导致组蛋白高度乙酰化以及p21Waf1／Cip1基因的转录激活。p21Waf1／Cip1基因则抑制细胞周期蛋白依赖性激酶－2的活性，中止细胞周期，而未增殖的细胞进入分化或凋亡途径［2，37］。Das等［38］研究表明，用丁酸钠处理克隆猪胚胎4h极显著增加囊泡形成的比率（P＜0．01），［（18．3±2．1％）vs．（11．2±3．0％）］。丁酸钠处理的克隆胚胎产生的囊泡和体外受精胚胎相比，增强了组蛋白乙酰化的作用［（36．7±3．6％）vs．（45．9±2．5％），以每个囊泡的总核数计］，并得出了丁酸钠处理克隆胚胎导致的组蛋白高度乙酰化增强了它们在体外发展成囊泡阶段的能力的结论。OchoaZarzosa等［39］试验表明，丁酸钠能增强被金黄色葡萄球菌感染的牛乳腺上皮细胞的组蛋白H3乙酰化作用。丁酸盐所发挥的与细胞平衡有关的重要功能（如抗炎症性、抗氧化剂、抗癌功能）是和其作为组蛋白脱乙酰酶抑制剂的角色相关联的，丁酸盐能使组蛋白处于一个更加乙酰化的状态，从而影响染色质组织结构，导致参与细胞分化、细胞凋亡、恶性肿瘤细胞的细胞周期阻滞等相关基因的激活以及肠道黏膜细胞炎性细胞因子表达量的下调。以下介绍其抗炎和癌症抑制作用。
抗炎作用丁酸盐所展示的广泛的抗炎症作用是通过影响免疫细胞的迁移、黏附、细胞因子的表达，以及影响细胞增殖、激活和细胞凋亡等过程来实现的。研究的最多的丁酸盐抗炎症性机制是对NFκB的抑制，这是通过阻止泛素－IκB的蛋白酶的降解来完成。NFκB是能够与B细胞免疫球蛋白κ轻链基因的增强子κB序列相结合的一种重要的转录因子［25］。NFκB控制编码炎症细胞因子、炎症诱导酶、黏附分子、生长因子、热休克蛋白和免疫受体的基因表达。丁酸在不同类型的细胞（包括癌症细胞系、结肠固有层细胞、中性粒细胞）中调控NFκB，这些都是和它潜在的抑制组蛋白去乙酰酶的作用相联系的［1－2］。而NFκB的抑制能导致细胞因子基因表达量的降低，包括TNFα、白细胞介素1β（IL1β）、白细胞介素2（IL2）、IL6、白细胞介素8（IL8）和白细胞介素12（IL12）等促炎细胞因子［40］。同时丁酸盐也可抑制一氧化氮合酶的活动，从而导致一氧化氮（NO）产量的减少，这些抑制效果同样和对NFκB的抑制有关［41］。丁酸盐能够减少细胞黏附，例如阻止抗原呈递细胞的黏附，但是随着细胞类型以及细胞增殖和分化状态的不同，结果也有所差异。丁酸盐能提高细胞间黏附分子－1（intercellularadhesionmolecule，ICAM1）基因的表达，而ICAM1可能在肠道上皮细胞免疫原性方面发挥作用。丁酸盐也能提高人类肠道微血管内皮细胞中ICAM1基因的表达［32］。丁酸盐对ICAM1和血管细胞黏附分子－1（vascularcelladhesionmolecule，VCAM1）基因表达影响的差异已有研究，Menzel等［42］研究表明，用2和4mmol／L的丁酸盐培养人脐带血管内皮细胞24h后，增加了ICAM1基因的表达，而不影响VCAM1基因的表达。但是当VCAM1基因的表达被TNFα诱导后，用2和4mmol／L的丁酸盐预培养，VCAM1基因的表达量却减少了。
抑制癌症在体内和体外模型中，丁酸盐刺激结肠隐窝细胞生理模式下的增殖，却抑制结肠肿瘤细胞的增殖，这个看似不一致的模式被称为“丁酸悖论”。在正常细胞中，丁酸诱导隐窝基底细胞的增殖，提高健康组织的转化和维护效率，在癌细胞中，丁酸盐抑制隐窝表面（潜在的肿瘤发育位点）细胞的增殖［32，40，43］。丁酸盐具有的组蛋白去乙酰酶抑制剂功能促使了运用其作为潜在癌症治疗药物的临床试验的大量进行［44］。丁酸盐在结肠癌症细胞中的主要作用是通过抑制细胞增殖来诱导细胞凋亡和细胞周期停滞。提出的几种抗癌机制包括解毒酶（比如谷胱甘肽－S－转移酶）基因转录的上调，该基因能保护细胞免受遗传毒性的致癌物质的干扰，还有胰岛素样生长因子结合蛋白－3（insulinlikegrowthfactorbindingprotein3，IGFBP3）基因转录的上调，胰岛素样生长因子系统主要参与细胞生长、正常细胞和致瘤细胞的增殖。在人类的各种癌细胞中，丁酸钠能够上调IGFBP3基因的表达。另外提出的机制包括细胞周期抑制剂p21、凋亡蛋白2同源拮抗剂（Bcl2homologousantagonist／killer，BAK）基因表达的上调，凋亡调节神经纤毛－1、凋亡抑制基因BclxL、细胞周期蛋白D1基因表达的下调，死亡受体DNA甲基化途径的抑制等。同时丁酸盐也作用于结肠癌细胞上游乙酰辅酶A的合成，与之形成对比的是，下游乙酰辅酶A的代谢可能作为细胞内丁酸盐浓度的调节器［1，2，45－47］。
丁酸盐在动物生产中的应用
提高动物生产性能丁酸盐能够改善动物肠道形态和菌群结构，提高消化酶活性，增强机体免疫力。某些丁酸盐，如丁酸钠，有特殊的脂臭味能够起到诱食的作用。这些因素都能够促进动物的生长。Piva等［48］试验表明，和对照组相比，断奶仔猪饲粮中添加0．8g／kg的丁酸钠，在前2周丁酸钠显著增加了平均日增重（增加了20％，P＜0．05）和平均日采食量（增加了16％，P＜0．05）。在第15～35天，丁酸钠显著增加平均日采食量（增加了10％，P＜0．05），显著减少饲料利用率（减少了14％，P＜0．05）。Leeson等［49］试验表明，添加0．4％的丁酸盐时，与对照组相比，极显著提高肉用仔鸡1～21日龄的采食量（P＜0．01）。当添加0．2％的丁酸盐时，极显著增加仔鸡胸肉产量（P＜0．01），胴体重增加了4．2％，显著提高了仔鸡21～27日龄的总增重（P＜0．05）。Smulikowska等［50］试验表明，和对照组比，在40日龄肉用母仔鸡饲粮中添加1g／kg丁酸钠的试验组的有机物表观消化率显著高于对照组（P＜0．05），同时添加丁酸钠和酶制剂的组与其他组相比，生长性能显著提高（P＜0．05），丁酸钠组氮的沉积有所增加。Herrera等［51］研究丁酸钠对抗菌肽锌的替代效果，结果显示抗菌肽锌组与丁酸钠组的鸡蛋产率分别为92．6％和91．9％，平均蛋重分别为63．0和62．9g，平均日采食量分别为123．6和123．4g，饲料转化率分别为2．11和2．15，蛋壳厚度分别为0．392和0．394nm，蛋壳重分别为6．26和8．03g，表明丁酸钠可以作为抗菌肽锌的替代品。Hu等［52］试验表明，6日龄肉鸡在0～21d内，平均日增重随着丁酸钠添加量的增加，呈现出显著的线性增加趋势（P＜0．05），在0～42d内，丁酸钠添加量对饲料转化率的影响呈现出显著的二次方程式（P＜0．05）。Guilloteau等［53］试验表明，和对照组相比，添加3g／kg丁酸钠有增强犊牛生长速度，提高饲料转化率的趋势。
改善机体代谢Manzanilla等［54］研究表明，在断奶仔猪饲粮中添加0．3％的丁酸钠，和对照组相比，其回肠淀粉消化率极显著降低（P＝0．002），结肠中挥发性脂肪酸的含量降低（P＝0．082），直肠中分支挥发性短链脂肪酸的数量也减少了。Biagi等［55］试验表明，和对照组相比，仔猪饲粮中添加丁酸钠能够显著增加肠道内的pH和异丁酸浓度（P＜0．05），而且有增加氨浓度的趋势（P＝0．056）。Claus等［56］研究表明，给生长肥育猪饲喂丁酸钠，其回肠中蔗糖酶活性是119．1U／mL，显著高于对照组的61．7U／mL（P＜0．05）。Czerwiński等［57］试验表明，在肉用仔鸡饲粮中添加丁酸钠后和对照组相比，回肠内pH显著升高（P＜0．05），回肠的丙酸盐和异丁酸盐浓度显著增加（P＜0．05）。Zhang等［58］研究表明，肉用仔鸡饲粮中添加微胶囊丁酸钠和对照组相比，极显著减少饱和脂肪酸含量（P＜0．01），极显著减少了C18∶0的含量（P＜0．01），且增加了C20∶0和C20∶4的含量。Kato等［59］试验表明，在犊牛饲粮中添加丁酸钠抑制了血浆胰岛素和生长激素浓度的增加。Guilloteau等［16］研究表明，在犊牛饲粮中添加丁酸钠，与对照组相比，采食后1h内的脂肪酶分泌量显著增加（P＜0．05），在采食3h后，口服丁酸钠减轻了进食后胰腺分泌物减少的生理状况，同时对血浆肠道调节肽浓度也有微调的作用。Gorka等［60］研究表明，在犊牛饲粮中加入丁酸钠，和第0天相比，第7天的血浆胰高血糖素样肽－2的浓度和第14天血清总蛋白浓度增加，整个试验期的血糖浓度增加。Wilson等［61］研究表明，在萨福克羊饲粮中添加2．5％的丁酸盐能够使其瘤胃短链脂肪酸浓度极显著高于对照组和添加了1．25％丁酸盐的试验组（P＝0．001）。
提高繁殖性能卵母细胞成熟是个复杂的过程，期间要经过多重修饰，尤其是组蛋白乙酰化作用和磷酸化作用，丁酸钠作为组蛋白抑制剂使得DNA有更开放的结构，而用丁酸钠处理种胚阶段的卵母细胞，能提高卵母细胞的发展能力和质量。Liu等［62］研究表明，和对照组相比，在体外基质中用1mmol／L丁酸钠处理猪卵丘卵母细胞复合体2或22h，其卵母细胞成熟率显著减少（P＜0．05）。用丁酸钠处理2h的试验组，和对照组相比，其囊胚率显著增加（P＜0．05），而且促使更多皮质颗粒迁移到血浆膜。成熟卵母细胞在GV阶段暴露于丁酸钠2h，和对照组相比，其细胞周期蛋白B的含量显著增加（P＜0．05）。
小结
随着抗生素在动物生产中的应用逐渐受到限制，越来越多的抗生素替代品随之出现。丁酸盐由于其无污染、无残留等优点而受到广泛关注，丁酸盐在体内吸收迅速，并且参与机体代谢，它能够改善肠道结构，调节肠道微生物菌群，还能够提高免疫能力，从而提高动物的生产性能。但是丁酸盐的作用效果受包括添加剂量、添加的时间跨度、动物的品种和日龄、观测的位点以及其他不可控因素的影响。因此，有关丁酸盐对肠道的精确作用方式、最适宜添加量以及全面的分子作用机理尚有待于进一步开展深入的研究。
作者：刘锐钢肖英平陈安国单位：浙江大学动物科学学院
