综述：Selenium：从氧化还原信号传导到与肠道微生物组的相互作用

《Biological Trace Element Research》：Selenium: From Redox Signaling to Interactions with the Gut Microbiome

　　摘要：硒是一种对机体正常运作起着关键作用的元素。它是硒蛋白的组成部分，硒蛋白具有强大的抗氧化特性，这使硒能够中和活性氧物种并保护细胞免受氧化应激的损害。硒还在支持免疫系统的正常运作中发挥着重要作用。在这方面，它对Th1/Th2免疫反应以及T淋巴细胞和NK细胞的活性具有特别重要的影响。硒与肠道微生物群之间存在相互关系，胃肠道中的微生物参与了硒化学形式的积累、转化和分化过程，这些过程影响着硒在宿主体内的生物利用度和活性。宏基因组学方法的发展使得能够在微生物组中识别出特定的硒依赖性代谢途径，这成为该生物技术领域的一个重要研究方向。反过来，适当的硒水平和硒蛋白活性也会影响肠道微生物群的组成及其产生的代谢物谱型。值得注意的是，在微生物组工程的发展背景下，还出现了设计能够控制硒生物转化的益生菌的概念。硒对生物体的有益作用取决于其适当的化学形式和剂量。硒缺乏会损害抗氧化系统，导致氧化还原失衡，从而削弱肠道屏障的完整性，引发多种胃肠道疾病。因此，硒与肠道微生物群的相互作用是其作用的关键因素。栖息在消化道中的微生物参与了硒各种化学形式的积累和转化过程，这些微生物的生化特性对于硒在人体内的生物利用度至关重要。因此，适当的硒形式对于维持肠道屏障的正常功能至关重要。本文讨论了硒在氧化还原过程和肠道微生物群功能中的重要性，并强调了这一元素在预防和治疗胃肠道疾病方面的潜在作用。未来的研究应进一步探讨这些相互作用，并开发利用硒依赖性途径来恢复肠道稳态的靶向方法。

引言：硒（Se）是一种对人类健康极为重要的微量元素[1]。这种元素参与调节肠道免疫并维持胃肠道稳态。此外，硒在调节微生物群、肠道屏障完整性和人体免疫反应之间的相互作用中起着关键作用[2,3,4]。需要强调的是，硒的缺乏或过量都会影响胃肠道的正常运作，因此维持体内最佳浓度非常重要，这对免疫系统的正常运作和维持肠道屏障的完整性同样重要[5,6]。此外，硒还是决定整体健康状况的重要因素，并可能是预防多种病理状况（如克罗恩病[7]、肠炎[2]、炎症性肠病[8]、癌症[6,9]）的潜在策略之一。硒的作用机制主要包括增强内源性抗氧化防御系统并调节免疫系统细胞的活性[10,11]（图1）。然而，使用的硒化学形式及其浓度在这方面至关重要。根据欧洲食品安全局（EFSA）、世界卫生组织（WHO）和医学研究所（IOM）的建议，硒可以以适当定义的剂量进行补充[12,13]。对于成年人，建议的每日摄入量应在40至70微克之间[12,14]。在特定生理条件下（例如疾病、怀孕），这一需求可能更高[15,16]。为此，必须密切监测长期使用时的安全剂量上限。此外，还需要考虑其吸收过程可能出现的干扰。EFSA最新的数据显示，成人的最高摄入量为每天255微克硒[17]。超过这一值可能会导致硒中毒[18]，表现为神经系统紊乱、脱发、指甲脆弱和代谢功能障碍[18,19]。儿童和青少年的硒摄入上限取决于年龄和体重，补充硒时需要谨慎。

硒对消化道和肠道微生物群的影响：硒蛋白（包括谷胱甘肽过氧化物酶（Gpx）和硫氧还蛋白还原酶（TrxR）[20,21]在身体的防御过程中起着特殊作用，它们参与中和活性氧物种[22,23]，从而减少肠道中的氧化应激和炎症。这些抗氧化酶有助于维持肠道微生物的平衡并支持肠道屏障的正常运作[5,6,24]。硒缺乏会导致氧化还原失衡[25,26]、炎症反应增强和免疫机制受损[15]，从而增加感染和疾病的风险。越来越多的文献证据表明，硒的状态直接影响肠道微生物组的组成和功能[27,28,29]。Wang等人的研究特别关注了肠道微生物的生物转化能力，他们指出肠道微生物群参与消化过程并积极转化硒的各种形式[27]。迄今为止，已经研究了多种微生物对硒功能和代谢的影响，包括枯草芽孢杆菌[30]、长双歧杆菌[31]、粘液阿克曼氏菌[32]、瘤胃球菌科细菌、乳酸杆菌[6]和大肠杆菌[33]，这些微生物是研究硒与肠道微生物群相互作用的重要模型[34]。此外，还强调了微生物活性也会影响产生的代谢物谱型，其中短链脂肪酸在宿主体内起着重要作用。作者提出的评估硒生物利用度的方法值得特别注意，该方法不仅考虑了硒在胃肠道中的直接吸收，还考虑了涉及肠道微生物群的转化过程。因此，肠道微生物群是决定硒作用的关键因素，其在解释硒对健康影响的研究结果中应占据重要地位。因此，硒对于增强人体肠道免疫和免疫防御至关重要。

硒在调节氧化还原信号中的作用：作为硒蛋白的组成部分，硒参与了人体内的多种生理功能[35]。其独特的性质有助于调节细胞内的氧化还原反应[36]并清除活性氧物种（ROS）[37,38]，这对人体肠道系统非常重要。在真核细胞中，硒酸盐和硒亚酸盐的转化涉及谷胱甘肽系统和多种酶[39,40]，导致硒的氧化状态逐渐变化。这些过程会产生一种关键化合物——氢化硒（H2Se）[41]，它是所有硒形式合成的基本底物[42]。随后，氢化硒会被代谢为有机形式的硒，例如硒代半胱氨酸（SeCys）。这种氨基酸是由硒代甲硫氨酸（SeMet）在半胱硫氨酸γ-裂解酶的作用下转化形成的[43,44]。在硒转化的后续阶段，硒代半胱氨酸作为第21位氨基酸被整合到蛋白质中[45]。由于硒代半胱氨酸残基存在于活性位点上，某些硒蛋白具有氧化还原特性，有助于调节细胞内的氧化应激[46,47]。值得注意的是，与氨基酸半胱氨酸中的硫相比，硒原子的氧化还原电位较低且亲核性较高[48,49]。这些特性使得硒可以在还原形式（-SeH）和氧化形式（–SeOH, –Se–S–, 或 –Se–Se–）之间快速可逆地转换[50,51,52]。需要强调的是，这种机制是谷胱甘肽过氧化物酶和硫氧还蛋白还原酶的基本催化特性。在肠道中，这些反应通过谷胱甘肽或硫氧还蛋白的氧化作用还原脂质过氧化物和过氧化氢。此外，这些机制还影响NADPH参与的还原辅因子的再生，从而改变肠道上皮细胞的氧化应激强度[53,54]。硒的氧化还原代谢能力基于硒代半胱氨酸残基的氧化[23,55,56]，这些残基在调节维持氧化还原稳态的蛋白质活性中起关键作用。这种机制使细胞的抗氧化系统能够适应不断变化的氧化应激条件。因此，维持自由基产生与机体抗氧化防御之间的平衡对于肠道系统的正常运作至关重要。在细胞水平上，肠道系统中硒和硒蛋白的氧化还原调节机制[57]与肠上皮细胞的代谢和氧化应激信号传导紧密相关[26]。由于肠上皮细胞不断接触饮食成分和肠道微生物群，其高代谢活性会导致大量活性氧物种的产生。因此，以氢化硒形式存在的硒参与个别硒蛋白的生物合成[44,58]，从而中和多余的活性氧物种。在细胞质和线粒体中，谷胱甘肽过氧化物酶催化过氧化物的还原[59]，保护细胞膜和线粒体免受脂质过氧化的损害，这对肠道上皮细胞的正常运作和增殖至关重要。某些硒蛋白可以调节氧化还原状态和转录因子（如核因子κB（NF-κB）和激活蛋白1（AP-1）[57,60]的活性，这两种因子对氧化过程敏感。位于内质网中的硒蛋白（selk, sels）可作为内质网应激的标志物[62]。这些过程对于维持肠道屏障的完整性至关重要。硒对转录因子NF-κB和AP-1活性的影响在调节信号通路方面尤为重要[63, 64]。这两个因子都参与控制炎症反应、细胞增殖和细胞应激反应。值得注意的是，NF-κB在细胞质中是处于非活性状态，与IκB抑制剂结合[65]。活性氧（ROS）浓度的增加会激活IKK，导致IκB的磷酸化和降解，从而使NF-κB转移到细胞核[66]。通过增加抗氧化酶（如谷胱甘肽过氧化物酶和硫氧还蛋白还原酶）的活性，硒可以限制ROS的过度积累，从而抑制这一通路的过度激活。此外，依赖硫氧还蛋白还原酶（TrxR）的硫氧还蛋白系统直接影响NF-κB亚基中半胱氨酸残基的氧化还原状态，调节它们结合DNA和调节转录的能力[67]。在AP-1中也观察到了类似的关系，AP-1与Jun、Fos家族和ATF（激活转录因子）的蛋白质形成二聚体复合物[68, 69]。其活性也强烈依赖于细胞内的氧化还原条件[70]。DNA结合域中半胱氨酸残基的可逆修饰在这里起着关键作用。硒通过谷胱甘肽和硫氧还蛋白系统维持适当的氧化还原电位，间接调节AP-1的活性，从而影响与增殖、分化和炎症反应相关的基因表达[23]。这个调控网络中的另一个重要元素是转录因子Nrf2，它是细胞抗氧化反应的关键调节因子。Nrf2于1994年首次被鉴定[71]。在氧化应激条件下，其激活会导致编码抗氧化酶的基因表达增加。由于这些酶在中和活性氧（ROS）方面的高效性以及对外源性应激的反应，Nrf2介导的抗氧化活性在细胞保护中起着关键作用[72]。在稳态条件下，Nrf2与细胞质中的Keap1蛋白结合，并经历持续的泛素化和蛋白酶体降解[73, 74]。氧化应激的增加会导致Keap1中氧化还原敏感的半胱氨酸残基发生修饰，从而使Nrf2释放并转移到细胞核[75]。在那里，它与ARE（抗氧化反应元件）序列结合[76, 77]，启动编码解毒和抗氧化酶的基因表达。硒影响谷胱甘肽的可用性和硫氧还蛋白系统的效率，这两个系统有助于维持细胞内的氧化平衡。这使它能够间接调节转录因子Nrf2的活性，并帮助细胞更好地应对氧化应激。作为氧化还原平衡和细胞信号传导的重要调节因子，硒影响NF-κB、AP-1和Nrf2等通路的活性[78]。因此，它在维持氧化应激、炎症和细胞防御机制之间的平衡中起着关键作用。在人类肠道系统中，通过硒蛋白[79]调节细胞氧化还原水平与特定分子转运蛋白的功能密切相关。这些生物结构影响硒的生物利用度、细胞内分布及其在特定氧化还原通路中的参与。在肠腔中，无机形式的硒（硒酸盐和硒亚酸盐）通过肠上皮细胞的顶端膜通过非特异性阴离子转运蛋白被吸收。这一过程涉及SLC26家族的硫酸盐共转运蛋白[80]等，这些转运蛋白因硒化合物与硫酸根阴离子的化学相似性而识别它们[81]。这一机制突显了共同转运途径在调节胃肠道中硒和硫的生物利用度方面的关键作用[82]。同样值得注意的是，硒在预防肠道疾病的发展中起着关键作用[57]。相比之下，有机形式的硒（例如硒代蛋氨酸和硒代半胱氨酸）可以通过氨基酸转运蛋白（由SLC6A19基因编码的B?AT1系统）和L型氨基酸转运蛋白（LAT型转运蛋白）被吸收。这些机制使硒能够有效地转运到肠上皮细胞质中。穿过细胞膜后，硒参与与限制活性代谢物质细胞毒性的蛋白质相关的反应。硒在细胞亚区室之间的分布间接由谷胱甘肽和硫氧还蛋白转运系统调节[83,84,85]。硒从肠上皮细胞输出到循环系统主要通过基底侧膜[82, 86]进行，这与硒蛋白P（SELENOP）的合成相关，硒蛋白P是血浆中的主要硒转运蛋白[60, 87]。硒蛋白P在肠上皮细胞和肝脏中合成，含有10个硒代半胱氨酸残基[88]，并通过内吞受体（包括apoer2和megalin）将硒分布到外周组织[89]。在细胞水平上，分子转运蛋白与氧化还原机制相互作用，影响硒的吸收、储存和释放，以响应细胞的氧化状态。因此，硒转运是一个动态调控网络的一部分，整合了氧化还原信号传导、细胞代谢和肠道屏障功能[2, 90]。

硒和肠道微生物群
肠道微生物群是栖息在人体胃肠道中的个体微生物的生态系统[91]。它是肠-脑轴的重要组成部分[92]。值得注意的是，肠道微生物群是特定代谢过程、免疫和肠道屏障功能的关键调节因子[93, 94]。大量文献表明[95, 96]，宿主的硒状态影响微生物群的组成和活性。此外，肠道微生物及其生化特性影响硒的生物利用度和代谢[97]。肠道细菌可以主动处理硒并将其转化为各种生物活性化合物。值得注意的是，微生物对硒的还原通过两条途径进行：同化还原和异化还原。第一条途径涉及将硒结合到硒蛋白中[98]。而异化还原主要涉及将硒酸盐和硒亚酸盐转化为元素硒（Se0）[99]。这一过程具有高度特异性，依赖于mRNA中的SECIS序列的存在[100]和专门的翻译装置，使得硒代半胱氨酸等可以替代通常作为终止密码子的UGA密码子[101, 102]。由此产生的硒蛋白在维持细菌细胞的氧化还原平衡中发挥重要作用[38, 103]。其中最著名的是细菌依赖的还原酶和脱氢酶，它们增强了微生物适应肠道环境变化的能力。Song等人[104]的文献数据显示，Enterobacter cloacae Z0206能够将硒亚酸盐（SeO32?）还原为元素硒（Se0）。该反应由富马酸还原酶催化。这一过程随后产生硒纳米颗粒（SeNPs）。Rhizobium selenitireducens B1菌株中的亚硝酸盐还原酶参与硒亚酸盐的还原[105]，而Providencia rettgeri HF16-A菌株中的亚硫酸盐还原酶负责这一过程[106]。然而，Butler等人的研究[107]表明，Thauera selenatis细菌可以通过硒酸盐还原酶还原硒。Lactobacillus casei ATCC 393细菌也可以使用亚硝酸盐还原酶转化硒化合物[99]。这种酶通过二血红素细胞色素C（Cytc4）从Q池中获取电子来催化硒酸盐的还原为硒亚酸盐。此外，微生物还可以使用硫酸盐、砷酸盐或亚硝酸盐作为最终电子受体来解毒硒[108]。同样值得注意的是，细菌中硒亚酸盐最常见的还原途径是所谓的Painter反应（GSH介导的还原）。在此反应中，硒亚酸盐与谷胱甘肽（GSH）反应生成GS-Se-SG，然后通过NADPH和GSH还原酶还原为不稳定的中间体GS-Se?。后者进一步水解，生成元素硒（Se?）和还原型GSH[99]。值得注意的是，肠道微生物群通过调节硒的吸收和分布来影响其生物利用度。并非所有形式的硒及其特性都已被发现。适当的硒摄入可以促进微生物群的正常平衡，而硒缺乏会导致肠道菌群失调[109]。这些效应会导致产生短链脂肪酸（SCFA）的微生物种群减弱[110]。产生SCFA的细菌，如Faecalibacterium、Roseburia或Eubacterium[111, 112]，容易受到氧化应激的影响，偏好低氧化还原电位的条件[113]。宿主硒缺乏会导致硒蛋白的表达减少[114]，从而增加肠腔和肠上皮中的活性氧浓度[115]。氧化应激的增加通过减少产生SCFA的厌氧细菌的数量来改变肠道环境[116]。同样值得注意的是，SCFA产生的减少对宿主有显著影响。丁酸是结肠细胞的主要能量来源，并作为信号分子（G蛋白偶联信号受体（gpcrs），激活GPR41和GPR43这些蛋白偶联受体[117]。此外，丁酸抑制组蛋白去乙酰化酶的活性，保护胰腺细胞并减少肝纤维化[118, 119]。SCFA缺乏会导致上皮细胞分化、抗炎反应和肠道屏障功能紊乱[120, 121]。在免疫学层面，丁酸的减少可能会损害调节性T细胞的分化[122]。这反过来又促进了促炎反应的发展，进一步加剧了菌群失调。同样值得注意的是，硒缺乏会破坏氧化还原信号传导并增加炎症通路的激活，如NF-κb[123, 124]。这导致肠道通透性增加和微生物代谢产物（包括脂多糖）的积累，从而加剧肠道黏膜的炎症反应。这些过程的后果是兼性厌氧菌和促炎菌的数量增加[125]。这些机制与硒在调节肠道黏膜氧化应激和炎症反应中的作用密切相关。硒蛋白影响肠道屏障的完整性，其表达减少会促进肠道通透性和细菌的转移[57]，这对炎症性肠病、代谢紊乱和自身免疫疾病的发展至关重要。考虑到由于饮食、地理和遗传差异以及不同的微生物群组成导致的群体异质性，理解硒与肠道微生物群之间的关系至关重要[5, 126,127,128]。准确确定硒的化学形式、剂量和暴露时间也很重要，因为这些因素对细胞内发生的各种生物过程至关重要。近年来，人们对硒不仅对宿主细胞的影响，而且对消化系统中栖息的微生物的影响也越来越感兴趣。Kasaikin等人[114]使用动物模型的研究表明，富含硒的饮食可以显著增加肠道微生物群的多样性并改变其分类组成。值得注意的是，这取决于硒的化学形式和剂量。喂食富含硒饮食的小鼠表现出肠道微生物组的多样性增加。这里的变化直接影响了硒蛋白的表达和宿主的抗氧化代谢。作者观察到，喂食富含硒饮食的小鼠中抗氧化酶（如谷胱甘肽过氧化物酶-1和甲硫氨酸R-亚砜还原酶-1）的水平和活性高于未补充硒的小鼠。Ankley等人在[129]对细鳞鲦鱼（Phoxinus neogaeu）的研究中也获得了类似的结果。该研究表明，硒调节了微生物组的应激反应。同样值得注意的是，肠道微生物可以通过不同的生化途径代谢硒。此外，不同形式的硒化合物通过改变其代谢活性来影响微生物群的结构。例如，在狗和鱼中补充硒代蛋氨酸或硒酵母中的硒可以增加有益细菌的比例，包括放线菌、Lachnospiraceae和Ruminococcaceae。尽管科学文献中的临床数据仍然有限，但在不同硒摄入量的地区进行的群体研究表明，饮食中的硒摄入可能与肠道微生物组的组成和代谢活性的轻微变化有关[130]。Zahran等人在[28]的研究中考察了饲料中添加硒纳米颗粒对尼罗罗非鱼肠道微生物群的影响。研究发现，硒补充显著影响了消化系统和微生物的功能。SeNPs调节了肠道微生物群，促进了有益细菌的生长。此外，作者观察到肠道屏障完整性得到改善，表现为产生黏液的杯状细胞的增殖增加以及参与免疫反应的基因表达增加。根据Su等人[131]提供的数据，在断奶仔猪的饮食中添加富含硒的酵母可能有助于其在育肥期间的胃肠道健康。这种效果与异戊酸（一种表示不良发酵过程的标志物）的减少以及乳酸菌数量的增加有关，而乳酸菌被认为是健康肠道微生物群的重要组成部分。Jiang等人[132]的研究表明，肠道微生物群可能会影响硒的吸收和利用。此外，硒与微生物组之间的关系是双向的：硒影响微生物组的组成，而微生物组又可能影响硒在体内的可用性。作者的研究结果强调了硒在调节微生物组中的重要作用。

总之，硒与肠道微生物群紧密相关，并共同影响身体的正常功能。当前的研究表明，硒缺乏或过量都会破坏微生物组的平衡，进而可能导致消化和代谢疾病的发展。因此，进一步研究以更好地了解肠道微生物组的组成、体内的硒水平以及硒蛋白在胃肠道健康和疾病中的作用至关重要。对硒代谢进行个体监测的队列研究也非常重要。同样重要的是体外和体内研究，这些研究将帮助我们更好地理解硒如何影响肠道微生物组及其功能。更好地理解这些关系不仅会扩展我们的知识，还有助于我们开发更有效的营养策略和治疗方法。

**硒在胃肠疾病中的重要性**

胃肠道对氧化应激特别敏感，这是由于其细胞内发生的强烈代谢过程所致。此外，值得注意的是，胃肠道细胞不断接触各种营养物质、肠道微生物群和抗原，这些情况可能会进一步影响防御机制的正常功能。因此，硒在抗氧化和免疫调节中的作用至关重要。硒的生物学重要性主要源于它存在于硒蛋白中[133]，硒蛋白可以保护胃肠道上皮细胞免受活性氧的损伤。在胃肠疾病的背景下，适当的硒水平与炎症过程的调节和肠道屏障完整性的维持有关。越来越多的文献[2, 9]表明，硒缺乏可能会影响多种疾病的进展，包括炎症性肠病、结肠癌和胃癌。此外，硒水平不足可能导致硒蛋白活性降低，从而可能参与脂肪肝的发病机制[134]。因此，了解硒在消化道中的作用为考虑其在预防和治疗胃肠疾病中的潜在用途提供了基础。

在炎症性肠病（克罗恩病和溃疡性结肠炎）中，观察到血清和组织中的硒浓度降低[135, 136]。需要强调的是，这些变化与疾病的活动程度和炎症程度直接相关。硒缺乏会导致肠道上皮中硒蛋白的表达减少[137, 138]以及氧化还原依赖性信号传导受损。这会促进肠道屏障功能障碍和肠道通透性的增加。更重要的是，这些过程会增加肠道通透性，使微生物抗原得以迁移并激活分子模式识别受体（TLRs和NODs）[139, 140]。这些过程的结果是NF-κb和MAPK信号通路的激活加剧以及促炎细胞因子（TNF-α、IL-1β和IL-6）的表达增加[123, 141, 142]。因此，维持适当的硒状态有助于调节T细胞与Th1和Th17细胞之间的平衡[143]，这对控制肠道炎症至关重要。

硒在肝脏疾病（包括非酒精性脂肪肝病、酒精性肝病和肝硬化）中的作用也得到了强调。在这些疾病中，氧化应激和慢性炎症在肝细胞损伤的进展中起着重要作用[144, 145]。硒蛋白活性降低会促进脂质过氧化和纤维化[146, 147]。低硒水平可能加重各种肝脏疾病的严重程度[148]。因此，硒可以被视为营养状况和疾病严重程度的潜在标志物[148, 149, 150]。硒还在胃肠道癌症（尤其是结直肠癌和胃癌）的发病机制中发挥作用[9]。其保护作用与减少氧化应激、调节DNA修复机制和调控细胞凋亡有关[151, 152, 153]。同时，需要强调的是，这种效果强烈依赖于剂量和患者的初始硒状态，因为硒缺乏或过量都可能导致不良的疾病结果[15]。在评估硒在胃肠疾病中的重要性时，必须考虑其化学形式、生物利用度以及与其他膳食成分和肠道微生物群的复杂相互作用[5, 27, 34]。此外，还需要考虑患者群体的特征、硒补充的地理差异以及炎症情况。所有这些方面都对硒在人体内的积累和代谢过程至关重要。

**结论**

硒是维持胃肠道氧化还原平衡、免疫调节和微生物活动的关键因素。越来越多的研究正在探索硒蛋白在细胞抗氧化防御中的作用。然而，必须记住，肠道微生物群的生化活性、适当的剂量、硒的化学形式及其可用性都会影响胃肠道系统的代谢效率。人体内硒状态的紊乱会增加氧化应激，导致上皮功能障碍和肠道细菌生态系统的数量和质量失衡。所有这些因素都会促进各种胃肠道病理的发展。未来的研究应重点关注硒的形态分析、宿主基因组学和微生物组谱型分析。获得这些研究结果将有助于根据特定宿主的胃肠道病理生理学情况精确制定适当的硒补充策略。理解这些关系对于硒在支持消化系统疾病治疗的各种医疗策略中的潜在应用至关重要。