FSHW | 酒精诱导后的乳酸菌可提高小鼠的酒精代谢能力

Introduction

乳酸菌是一类能将碳水化合物转化为乳酸的微生物，常应用于食品和饮料发酵中，具有广泛的生物学活性。大量研究已表明乳酸菌可缓解酒精性肝损伤，其作用方式包括调整肠道菌群，减弱肝脏氧化应激，调节肝脏炎症水平和抑制肝脏脂肪堆积等。乳酸菌胞内物包含核酸、蛋白质以及各种活性酶，它具有便于提取、储存和运输等特点。但在工业生产过程中，乳酸菌极易受到不利环境的影响，如高温、低温、渗透压和乙醇（酒精）等。乳酸菌为了适应不利环境，通常会改变自身的生理应答来进行自我调控，其主要方式包括改变某些蛋白的表达、调整代谢通路及合成特定的应激蛋白等。有趣的是，本团队前期研究表明，梯度冷冻诱导后的乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）胞内物能够提高冷冻干燥后L. lactis细胞存活率，而诱导后胞内物的活性功能仅在微生物水平上得到了验证。

长期大量饮酒可引起多种脏器发生病变，造成酒精性肝炎，肝硬化，严重时甚至发展成肝癌。90%以上的酒精主要在肝脏中进行氧化代谢，肝脏是酒精损伤的主要靶器官。酒精经肝脏中乙醇脱氢酶（ADH）氧化为乙醛，然后经乙醛脱氢酶氧化为乙酸盐，最后生成CO2和水排出体外。ADH是酒精代谢的限速酶，已有研究表明体外ADH活性的变化是反应体内ADH活性和酒精代谢的关键参考指标。

郑州大学生命科学学院鲁吉珂教授联合中国人民解放军军事科学院郝利民教授等在本文中以酒精诱导L. lactis为研究对象，体外测定酒精诱导后L. lactis胞内物（E-IE）对ADH活性的影响；测定I-IE对小鼠的翻正反射（LORR），血液酒精浓度，组织ADH酶，抗氧化酶和肝损伤标志酶活性的影响；利用生物信息学技术评估L. lactis和小鼠体内的蛋白相互作用。论文第一作者为郑州大学生命科学学院博士研究生陈思思。

图1小鼠酒精代谢的示意图

Results and discussion

体外酶活实验

I-IE对ADH活性的影响如图2所示，0.5%（V/V）低浓度酒精的梯度处理不影响L. lactis的生长速率（见正文），其胞内物可显著提高ADH活性。未经酒精诱导的胞内物（0%，U-IE）对ADH激活率的影响是（20.0±0.66）%，而0.5%酒精浓度诱导的胞内物（E-IE）对ADH激活率的结果是（33.3 ± 0.95）%。酶活实验结果表明E-IE可提高ADH活性。已有研究指出，体外ADH活性的变化是反应体内酒精代谢的重要指标，表明E-IE可能具有提高小鼠酒精代谢的能力。

图2ADH活性的测定

体内动物实验

体内动物实验设计如图3所示，以雄性昆明小鼠为研究对象，实验共分5组，包括空白组，模型组，阳性对照组，U-IE组和E-IE组。实验周期是7天，每天定时灌胃样品溶液（空白组和模型组灌胃生理盐水）和酒精（空白组灌胃生理盐水），第1天灌胃酒精后观察小鼠的LORR，第7天灌胃酒精2 h后进行解剖。记录小鼠的肝重和体重，收集血液和组织用于生化参数的测定。

图3 动物实验设计

动物实验结果如表1所示，通过评估耐受时间，持续时间，血液酒精浓度，体重和肝指数的变化来判断E-IE对醉酒小鼠的保护作用。相对于模型组，E-IE的灌胃处理可延长小鼠的酒精耐受时间，减少醉酒持续时间并降低血液中的酒精浓度。E-IE可抑制酒精灌胃造成的小鼠体重的下降，但肝指数无显著性变化。

酒精在胃内具有首过效应，是体内酒精代谢的第一步，因而胃和肝组织中ADH的升高对于提高酒精代谢，减少酒精对机体产生的毒性作用具有重要意义。此外，氧化应激是酒精性肝损伤的机制之一，肝脏丙二醛（MDA）和超氧化物歧化酶（SOD）水平也是反应氧化应激状态的重要参考指标。血清中天冬氨酸转氨酶（AST）和丙氨酸转氨酶（ALT）是酒精性肝损伤标志酶。动物实验结果如表2所示，E-IE能够通过提高组织中ADH和SOD酶活性，降低MDA水平，降低ASL和ALT的表达，保护酒精诱导的肝损伤小鼠。

表1 E-IE 对小鼠LORR，血液酒精浓度，体重和肝指数的影响

表2 E-IE 对小鼠血清和组织中生化参数的影响

蛋白互作分析

蛋白相互作用是生物体中蛋白保护和作用的常见生理机制，通过激活或抑制不同的信号通路以调节整个生物体的功能。实验结果如图4a所示，adhE是一种双功能酶，具有ADH和乙醛脱氢酶活性，可提高乳酸菌的酒精代谢能力。通过以adhE为关键蛋白构建L. lactis蛋白互作网络，发现该物种内的一些蛋白如adhA，decO，pfI和ldh与adhE蛋白之间存在相互作用。本文推测蛋白相互作用可增强L. lactis的酒精耐受性，而包含这些蛋白的胞内物可提高ADH活性。图4b构建了小鼠体内的Adh1的蛋白互作网络，表明小鼠体内的一些蛋白如Aldh1a7，Aldh7a1，Aldh1b1, Aldh2和Cyp2e1等可能参与了小鼠体内的酒精代谢过程。本文推测E-IE能显著提高小鼠酒精代谢的机制，可能是L. lactis胞内物中的蛋白及其胃肠消化产生的活性肽与小鼠体内的乙醇代谢相关酶（例如Adh1）的活性口袋之间形成稳定的复合物，从而保持酶结构的稳定性并维持了ADH活性，从而提高小鼠的酒精代谢能力并保护酒精诱导的肝损伤。

图4 蛋白互作网络的构建

Conclusion

E-IE体外可提高ADH活性，体内增强小鼠的酒精代谢能力并具有酒精性肝损伤保护作用，主要是通过评估小鼠的醉酒行为指标，血液酒精浓度，组织ADH活性，抗氧化酶活性和肝损伤标志酶水平等。本文推测E-IE发挥作用的机制是，E-IE中活性蛋白或经动物胃肠消化产生的活性肽与小鼠酒精代谢酶之间发生了相互作用，从而提高小鼠的酒精代谢能力，其具体作用机制仍需进一步的研究。

第一作者简介

陈思思，女，郑州大学生命科学学院2019级博士研究生，主要研究方向是酒精诱导的乳酸菌胞内物对酒精代谢的影响及微生物的应激调控机制。

通信作者简介

鲁吉珂，男，教授，博士生导师，河南省优秀教师，河南省高等学校优秀共产党员，河南省教育厅学术技术带头人，郑州大学青年拔尖人才，郑州大学青年教学名师培养对象，曾获教育部全国优秀博士学位论文提名，《食品科学》、《食品工业科技》、《轻工学报》青年编委。主要从事食品生物技术研究，共发表论文60余篇，发明专利5项（授权3项），著作3部（主编1部）。研究成果荣获2020年度中国食品科学技术学会技术进步奖1项。

郝利民，男，正高级工程师，博士生导师，军事科学院系统工程研究院军需工程技术研究所大校，我军新一代军用食品项目总师，火箭军专用食品项目首席专家。《Food Science and Human Wellness》、《Journal of Future Foods》、《食品科学》、《食品工业科技》、《食品与发酵工业》、《食品科学技术学报》杂志编委。中国食品科学技术学会常务理事，国家特医食品评审专家，教育部学位中心评审专家。主要从事军用食品和食品生物技术领域研究。先后主持军队重大重点、国家重点研发计划、国家自然科学基金等科研项目20项。在国内外和军内外学术期刊发表论文210余篇，授权专利40余项。获军队科技进步一等奖1 项、二等奖5 项、三等奖2 项，中国食品工业协会科技进步奖特等奖1项，中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖1项，中国食品科学技术学会科技进步奖一等奖1 项、二等奖1 项，中国商业联合会科技进步奖一等奖1 项，中国轻工业联合会科技进步奖三等奖1项，中国发明协会发明创业奖金奖1 项、银奖1 项，北京市发明专利奖二等奖1 项，全国发明创业奖·人物奖特等奖，被授予“当代发明家”荣誉称号。多项科研成果应用转化，军事经济和社会效益显著。

Positive effect of ethanol-induced Lactococcus lactis on alcohol metabolism in mice

Sisi Chena,b, Shimin Jiaa, Keke Suoa, Qiaozhen Kanga, Limin Haoc,*, Laizheng Lud, Xin Liua, Jinyong Huange, Jike Lua,*

a School of Life Sciences, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China

b Physical Education College, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China

c The Quartermaster Research Institute of Engineering and Technology, Academy of Military Sciences PLA China, Beijing 100010, China

d Zhengzhou Mindtek Biotechnology Co., Ltd., Zhengzhou 450001, China

e School of Agricultural Sciences, Zhengzhou University 450001, China

*Corresponding author.

E-mail address: hlm2005@163.com; ljk002004@163.com

Abstract

It is well known that exposure to environmental stresses could enhance the adaptability of bacteria and up-regulate the expression of a variety of oxidative stress-related genes and antioxidant enzymes. It is unclear whether the adaptability of microorganisms formed naturally in special environments could transfer to other organisms. The study aimed to evaluate the effects of untreated and ethanol-induced Lactococcus lactis intracellular extracts (U-IE and E-IE) on alcohol metabolism in mice. The positive effects of E-IE on alcohol metabolism in mice were revealed by the enhanced latency of loss of righting reflex (LORR), the reduced duration of LORR, the decrease of blood alcohol concentration, as well as the elevation of alcohol dehydrogenase (ADH) activities in the stomach and liver tissues. Furthermore, the potential benefits of E-IE on the liver were evaluated by biochemical parameters including the activities of serum transaminase, the levels of antioxidant enzymes, and the pathological changes of liver tissue. The present work put forward a new point that appropriate ethanol stress could enhance the intracellular ADH activity of L. lactis, and its intracellular extracts could continue to enhance alcohol metabolism in mice.

Reference:

CHEN S S, JIA S M, SUO K K, et al. Positive effect of ethanol-induced Lactococcus lactis on alcohol metabolism in mice[J]. Food Science and Human Wellness, 2022, 11(5): 1183-1190. DOI:10.1016/j.fshw.2022.04.016.

文章编译内容由作者提供

编辑：王佳红；责任编辑：张睿梅