《Biological Trace Element Research》：Selenium’s Emergence from the Pool of Potentially Essential Trace Elements
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本文回顾硒（Se）从潜在必需微量元素中被确认为必需元素的历程，聚焦其作为谷胱甘肽过氧化物酶（Gpx）辅因子的生化机制，探讨其与维生素E的互作及对其他潜在必需微量元素研究的启示，强调生物标志物在营养需求设定中的关键作用。
硒从潜在必需微量元素池中脱颖而出的历程
摘要
动物研究表明硒（Se）是一种能抵御疾病的膳食微量营养素，且常与维生素E协同发挥作用。然而，早期关于硒毒性和动物模型致癌的报告阻碍了动物饲料的直接补硒及人类膳食建议。硒从其他潜在必需微量元素中脱颖而出的关键在于John Rotruck和William Hoekstra发现其作为谷胱甘肽过氧化物酶（Gpx）辅因子的生化作用。Gpx活性随硒缺乏下降，随补硒升至平台期，证明Gpx是评估硒缺乏的有效生物标志物，为膳食建议提供了支撑。目前仍有约8种潜在必需微量元素被证实缺乏时会导致高等动物异常，未来研究极可能发现这些元素在人类中的功能——正如其他生物体已识别其特定转运或蛋白质/金属物种结合机制。高等动物中这些过程的解析，以及过量营养素摄入生物标志物的挑战，将为未来微量元素研究提供广阔空间。
引言
Forrest H. Neilsen博士自20世纪60年代起便是超微量元素研究的领军人物。他曾是本文作者父亲Milton Sunde及未来博士导师William Hoekstra在威斯康星大学（UW）的研究生，也是作者在1973年第2届动物微量元素代谢会议上的交流对象，堪称“微量元素英雄”。在UW期间，Neilsen以鸡为模型研究锌的作用，发表系列论文探讨锌与膳食营养素、制剂及螯合剂的互作。此后他在科罗拉多州丹佛市Fitzsimons综合医院研究雏鸡对镍的可能需求，后于北达科他州大福克斯USDA实验室开展大鼠镍缺乏研究。在这些及后续研究中，他改良工具：采用专用缺微量元素饲料、塑料笼具、无矿物质水甚至过滤空气，其方法成为超微量元素研究的标准，领导的大福克斯USDA人类营养实验室也成为人类及动物潜在必需微量元素研究中心，《生物微量元素研究》期刊在其主编下成为新兴微量元素研究社群的核心阵地。
1968年美国食品与营养委员会第7版《膳食参考摄入量》仅列出6种元素（钙、磷、铜、碘、铁、镁）的推荐量，另讨论6种微量元素（铬、钴、锰、钼、硒、锌）。当时微量元素研究者无论目标元素均用相似方法，国际国内会议规模约百人，涵盖所有研究元素。除专用饲料和笼具外，研究常同时追踪多种元素、观察互作或用放射性示踪剂记录缺乏体征。过去五十年的诸多成果均在致敬Neilsen博士的纪念报告中有所总结。
微量元素必需性
关于硒的营养、生化、基因组学及分子生物学已有大量近期综述，但本文聚焦于硒如何从潜在必需微量元素池中脱颖而出。作者列出高等动物的微量必需及潜在必需微量元素表（表1），具体分类留待他处详述。1967年Cotzias提出矿物质必需性的六条标准：①存在于所有生物的健康组织中；②个体间浓度相对稳定；③缺乏时无论物种均诱导相同的生理和结构异常；④补充后可逆转或预防异常；⑤缺乏导致的异常伴随特异性生化改变；⑥这些生化改变可随缺乏状态的预防或治愈而消除。现有必需微量元素均符合v、vi条标准，下文将总结硒如何满足这些标准。
硒必需性的迹象
20世纪30年代，基于动物研究硒首次被视为有毒元素，后续报告称膳食硒可诱发大鼠癌症（现已被证有误）。相反，流行病学研究显示硒状态与癌症呈负相关，提示低硒可能增加患癌风险。这些观点被“硒是继维生素E和含硫氨基酸后第三个预防大鼠饮食性肝坏死的因素”这一发现取代——低硒饮食导致肝坏死，补硒可预防或逆转。随后证明硒能预防低硒/维生素E饮食雏鸡的异常，且单独补硒可预防胰腺萎缩（维生素E无法替代）。尽管已知补硒可预防家畜疾病，但毒性及致癌报告仍阻碍饲料添加。有趣的是，达科他州因土壤高硒产出的天然高硒小麦曾被饲料厂商争相采购以提升硒含量。
硒的生化作用
多个研究团队开始探索硒的生化作用。1975年William Hoekstra指出，其研究生John Rotruck以低硒/维生素E饮食大鼠红细胞（RBC）为对象，从文献中发现硒缺乏大鼠红细胞谷胱甘肽（GSH）水平升高（提示GSH利用而非合成障碍），遂聚焦谷胱甘肽过氧化物酶（Gpx）。1971年夏，Rotruck建立Gpx assay，发现硒缺乏大鼠红细胞Gpx活性显著低于补硒组。Hoekstra实验室进一步测定组织硒浓度，从绵羊血液中纯化Gpx，证明其四聚体含4个硒原子（实测3.84），明确硒在高等动物中的生化作用。1973年1月虽正式发表Gpx为硒酶，但此前系列研究（含摘要、手稿提交日期）清晰表明Rotruck和Hoekstra是发现者，这一过程也展现了从“意外观察”到新发现的科研路径。
作者1971年秋返回UW后，负责配制含充足维生素E但低硒或梯度亚硒酸钠（Na2SeO3）的torula酵母饲料，喂养大鼠——包括成年硒缺乏大鼠补硒及断奶大鼠梯度补硒。结果显示：硒缺乏大鼠红细胞Gpx活性降至近零，补硒后恢复（图1A）；断奶大鼠喂低硒饮食时Gpx活性下降，补硒至充足水平后达平台期（图1B），证明Gpx是评估硒状态和需求的优良生物标志物。后续在绵羊、猪、鸡、牛的研究中，以Gpx为生物标志物证实补硒可预防相关疾病，且≤2 μg Se/g饮食时无毒性或致癌性，推动饲料厂商直接添加硒。图2A显示Gpx1活性在0.005-5 μg Se/g饮食中变化：缺乏时骤降，补硒后升至平台期，需求以上基本不变；火鸡和鸡的硒需求显著高于啮齿类，体现物种差异。图2B为肝脏Gpx4（磷脂氢过氧化物Gpx）活性：啮齿类缺乏时仅下降约50%，而火鸡Gpx4活性是啮齿类的10倍（Gpx1仅为1/6），这与硒状态对mRNA调控的差异有关。这些案例既证明优质生物标志物的价值，也警示跨物种/组织推断时的差异。
如今硒研究已融入生物学/分子生物学：已知硒是24-25种哺乳动物硒蛋白的辅因子，敲除部分基因可致胎儿致死或严重缺陷；硒通过UGA密码子（通常为终止密码子）插入硒蛋白，需独特酶或RNA参与；硒蛋白功能多样，持续吸引其他领域研究者带来新技术，使其研究模式与20世纪60年代截然不同。
硒-维生素E互作
早期观察到单独补充维生素E或硒均可预防动物疾病，表明二者参与抑制脂质过氧化和活性氧，但具体机制不明。唯一明确的是硒酶Gpx4、维生素E及作为谷胱甘肽组分的半胱氨酸共同限制铁死亡（ferroptosis）——这为维生素E的作用及硒-维生素E互作的生化基础提供了细节，也为深入理解维生素E的分子作用开辟了新方向。
其他微量元素的必需性
明确生化作用仍是确立必需性的核心。Neilsen毕生致力于此，倡导通过动物模型满足Cotzias标准i-iv。作者表1中“可能/很可能”类别指虽未在动物中发现生化作用，但在植物/微生物中已鉴定出金属依赖性酶或功能。例如Neilsen等报道镍缺乏导致生长迟缓（第二代大鼠更明显），植物和微生物中至少存在8种含镍辅因子酶；硼的人类必需性尚未明确，但鱼类生长需硼，植物中硼转运蛋白及拟南芥花粉管生长相关基因缺失研究支持其潜在作用；锂缺乏阿尔茨海默病小鼠模型淀粉样β斑块增加，也使锂进入潜在必需类别。钒、硅、锡、砷、镉等的潜在作用亦有综述。硅在植物细胞壁积累及转运蛋白、细菌中钨辅因子（区别于钼辅因子）的发现，均表明生物进化中已识别并利用更多微量元素。无论是否需膳食补充，确定微量元素在关键生化途径中的催化或参与作用仍是必需性的金标准——这正是硒脱颖而出的关键。铬因无确认生化作用仍属“可疑”，曾有研究提出“缺乏导致功能从最佳降至次优”作为标准，但作者认为此类方法及流行病学（含荟萃分析）至多算探索性发现科学，易高估需求并向公众过度推荐。
营养素毒性的生物标志物
必需微量元素的故事远未结束。膳食补充剂和饲料厂商不断推高营养素（含微量元素）添加量，但缺乏毒性及高营养状态的优质生物标志物。微量元素浓度仅是起点，需稳态机制感知“过量无益”并激活调节——如下调转运蛋白、上调排出/排泄、增加金属物种合成以排泄或积累。对硒而言，甲基化硒物种和硒糖代谢物有潜力作为高硒状态标志物，这仍是未来探索的方向。
