玉米赤霉烯酮的污染和殘留及其作用機制

山東農業(yè)大學動物科技學院 姜淑貞 楊維仁 楊在賓＊

玉米赤霉烯酮（ZEA），又稱F-2毒素，主要由禾谷鐮刀菌產生的一種具有雌激素活性的非類固醇類真菌毒素。研究表明，ZEA具有生殖毒性、血液毒性、細胞毒性、免疫毒性和遺傳毒性，可導致生殖障礙、消化系統(tǒng)功能紊亂。

1 玉米赤霉烯酮的生物學特性

ZEA最初是從污染了禾谷鐮刀菌的發(fā)霉玉米中分離獲得。ZEA純品為白色晶體，分子式為C18H22O5，相對分子質量為318，熔點161～163℃。紫外線光譜最大吸收為236、274 nm和316 nm，紅外線光譜最大吸收為970 nm，不溶于水、二硫化碳和四氯化碳，溶于堿性溶液、乙醚、苯、甲醇、乙醇、乙酸乙酯等。其甲醇溶液在紫外光下呈明亮的綠-藍色熒光，這是用熒光光度法檢測ZEA的基礎。Urry等 （1966）應用經典化學、核磁共振和質譜技術確定了ZEA的化學結構為2，4-二羥基苯甲酸內酯類化合物，具有雌激素活性，在堿性條件下可以將酯鍵打開，堿性濃度降低酯鍵恢復。

2 玉米赤霉烯酮的污染現(xiàn)狀

2.1 植物中玉米赤霉烯酮的產生 ZEA普遍存在于植物體內，主要是在適當?shù)臏囟取穸取⒗ハx侵擾、收割期間機械性損傷以及貯存方法不當?shù)惹闆r下導致鐮刀菌滋生而產生。小麥、大麥、燕麥等在地里感染真菌導致結痂，玉米、谷物等一般在貯存過程中感染。ZEA與高等植物性器官生發(fā)、分化、乃至成熟都有密切的關系。Meng等 （1989）報道，冬性植物在春化過程中莖尖內累積ZEA，且其累積量與春化作用的深度同步，當ZEA的積累量達到高峰時，標志著春化作用的完成，同時冬小麥、玉米、棉花等的花器官內ZEA的含量，無論是雌蕊、雄蕊都以開花時達高峰，此時它可能與授粉、受精有關。

2.2 動物飼料或原料中玉米赤霉烯酮的污染ZEA的最適生長溫度為24～32℃，最適濕度為40%。Placinta等（1999）對近20個國家的谷物和動物飼料中的真菌毒素含量做了系統(tǒng)調查，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)國家的谷物和動物飼料中都不同程度地受到ZEA的污染并導致家禽的毒害。由于ZEA污染造成巨大的經濟損失，許多國家對食品、谷物、飼料當中的ZEA含量都作了十分嚴格的規(guī)定，例如，澳大利亞規(guī)定谷物中ZEA的含量不能超過50 ng/g，意大利規(guī)定在谷物和谷類產品當中ZEA的含量不能超過100 ng/g，而在法國，植物油和谷類當中ZEA的含量必須低于200 ng/g（Pallaroni，2002）。張丞和劉穎莉（2009）對來自全國各地的90份飼料和原料樣品進行霉菌毒素污染檢測，結果表明，玉米樣品中ZEA陽性檢出率從2008年的58.1%提高到84.6%，陽性樣品中ZEA含量也從142 mg/g提高到229 mg/g。玉米加工副產品樣品中ZEA陽性檢出率（100%）及陽性樣品中值（632 mg/g）均遠高于玉米。配合飼料中ZEA的陽性檢出率為97.2%，陽性樣品中值為333 mg/g，稍高于玉米。ZEA在谷物和動物飼料中分布的主要特點是與其他鐮孢菌屬毒素包括單端孢霉烯族毒素類和煙曲霉毒素同時產生。

3 動物組織和產品中玉米赤霉烯酮的殘留

動物組織中ZEA的含量依賴于飼料的污染程度、ZEA或α-ZOL對動物的處理方式、毒素接觸時間、毒素在動物體內的存留時間以及動物種類。3.1 玉米赤霉烯酮在肌肉和器官中的殘留 根據(jù)雌二醇受體的分配，ZEA及其代謝產物在子宮、乳房、肝臟和肌肉中有較高水平的表達（Pfaffl等，2001）。給牛皮下埋置α-ZOL后，α-ZOL在血漿中的清除率非常快，在可食組織中幾乎不累積，65 d后未在組織中檢測到殘留 （Sharp和Dyer，1972）。給豬飼喂ZEA污染日糧（40 mg/kg）4周，肝臟中ZEA的濃度為78～128 μg/kg（James和Smith，1982）。小雞采食含ZEA 100 mg/kg的日糧8 d，肌肉中 ZEA 的含量為 59 ～ 103 μg/kg，肝臟中 ZEA 達 681 μg/kg（Mirocha 等，1982）。 ZEA 及其代謝物主要在肝臟中殘留，在骨骼肌中的濃度最低（Dailey 等，1980）。 Z?llner等（2002）證實，采食ZEA污染燕麥日糧豬的肝臟樣品主要含有α-ZOL，其次為β-ZOL和ZEA，肌肉樣品的結果與肝臟樣品類似，也主要含有α-ZOL，只有極少量的ZEA殘留。相反，采食相同污染日糧的小母牛，肝臟樣品中只有少量的α-ZOL、β-ZOL和ZEA，表明反芻動物經口服ZEA后，生物學利用率很低（Kleinova 等，2002）。

3.2 玉米赤霉烯酮在蛋中的殘留 即使攝入的ZEA 94%經排泄物排出體外，蛋黃中也能累積ZEA及其代謝物（Dailey等，1980）。在研究玉米和高粱對蛋雞產蛋性能影響的試驗中，飼喂高粱日糧蛋雞產蛋量顯著降低，蛋的損害也較嚴重，分析發(fā)現(xiàn)高粱中含有低濃度的ZEA以及其他毒素（Branton 等，1989）。飼喂污染 ZEA 玉米（1580 μg/kg），肝臟ZEA和α-ZOL的濃度分別為2.1 μg/kg BW和3.7 μg/kg BW，然而雞蛋中未發(fā)現(xiàn)ZEA及其代謝物的殘留（D?nicke等，2002）。

3.3 玉米赤霉烯酮在奶中的殘留 研究表明，給綿羊（Hagler等，1980）、牛（Mirocha 等，1981）和豬（Palyusik等，1980）飼喂含高劑量ZEA的日糧，α-ZOL或β-ZOL能夠轉移到的奶中；一旦停止飼喂含ZEA的日糧，奶中ZEA及其代謝物迅速降低，但是停飼5 d后綿羊奶和豬奶中仍然能夠檢測到 α-ZOL 或 β-ZOL（Palyusik 等，1980）。 但是奶牛采食含ZEA 25 mg/kg的日糧7 d，ZEA及其代謝物在奶中的含量僅為1.3 μg/kg，表明ZEA不易殘留到奶中（Mirocha等，1982）。動物采食含低濃度ZEA的日糧未檢測到奶中有ZEA的殘留（Young等，1982）。綜合以上研究結果，ZEA分布到動物奶中的情況因動物種類和ZEA給飼劑量有關。

4 玉米赤霉烯酮可能的作用機制

4.1 雌激素受體介導的途徑 許多研究表明，ZEA具有類似雌激素的作用。雌激素在靶組織中的生物效應依賴于胞漿中雌激素受體（ER）的存在。雌激素與ER結合后，ER發(fā)生構型改變，形成的復合物轉移至胞核，與DNA模板結合，調節(jié)靶基因轉錄和蛋白質合成。ER與雌激素分子的親和力非常高并有受體特異性。ER有1個高度變異的N末端區(qū)，具有反式激活功能；1個高度保守的中央區(qū)，負責特定的DNA結合、二聚化及核定位；1個C末端區(qū)，參與配體結合及配體依賴的反式激活功能（Clark，1992）。ZEA及其衍生物為非甾體化合物，具有獨特的大環(huán)內酯結構。但許多研究表明，ZEA能與17β-雌二醇競爭性結合胞漿中的ER，提示ZEA發(fā)揮雌激素作用也是由ER介導的。ZEA與子宮ER的親和力是雌二醇的1/10。ZEA在1～10 nmol/L濃度范圍時能刺激ERα和ERβ的轉錄活性，是ERα的完全激活劑，ERβ的激動-拮抗劑（Kuiper等，1997）。ZEA 與ER結合，轉移至胞核中，與染色質結合，繼而調節(jié)基因轉錄和蛋白質合成，從而影響細胞分裂和生長，刺激乳腺癌細胞MCF-7進入細胞周期，促進其增殖，還能增加MCF-7細胞中雌激素調節(jié)基因的表達（Dees等，1997）。 ZEA 和 17β-雌二醇都可引起雌性大鼠的無卵性不育，但17β-雌二醇的作用能被雌激素結合蛋白——甲胎蛋白所阻斷，而ZEA則不受甲胎蛋白的影響 （Kumagai和 Shimizu，1982）。這說明ZEA的作用機制與雌激素可能不完全相同。

4.2 氧化損傷的途徑 氧化應激可干擾促氧化劑-抗氧化劑平衡，造成潛在的細胞損傷（Sies，1985）。氧化應激與某些生化和病理過程交織在一起（Chandra等，2000）。脂質過氧化是與氧化損傷有關的細胞途徑之一，脂質過氧化反應產生活性氧和自由基，誘導很多靶細胞損傷。脂質過氧化反應的終產物丙二醛（MDA）被認為是氧化應激和細胞損傷的最好的生物標記物（Tomita和Okuyama，1990）。脂類降解和MDA生成能夠改變細胞膜的結構與功能，阻斷細胞代謝，造成細胞毒性（Ennamany 等，1995）。Abid-Essefi等（2004）證實，ZEA可增強兩種細胞系（Vero和Caco-2 cells）的脂質過氧化反應，提高MDA產量，誘導氧化應激，并呈劑量依賴特性，然而，α-ZOL導致的氧化損傷比β-ZOL強，但比ZEA差。α-和β-ZOL誘導氧化應激是ZEA誘導細胞損傷、DNA損傷和凋亡的潛在機制之一（Hassen等，2007），因為氧化應激是引起細胞凋亡的觸發(fā)器 （Gautier等，2001）。此外，核DNA是氧化應激最重要的生物靶子之一（Ames，1989）。

眾所周知，熱應激和氧化應激機制幾乎相同，例如，氧化應激也誘導產生一些熱誘導彈性蛋白如熱休克蛋白 70 （Hsp 70）（Godon 等，1998）。 同時，Hsp誘導產生的機制依賴于氧化應激干擾了細胞氧化還原狀態(tài)（Zou 等，1998），因此，Hsp 被認為是氧化應激初期的標記物。Ouanes等（2008）證實，α-和β-ZOL增加了脂質過氧化反應，促進氧化應激，并通過抑制細胞增殖、總蛋白和DNA的合成產生細胞毒性，ZEA代謝物誘導Hsp27和Hsp70 的表達。 Kouadio等（2005）證實，15 μmol/L的ZEA對細胞膜的完整性產生不利的影響，通過影響琥珀酸脫氫酶的活性影響線粒體代謝，表明線粒體也是ZEA的靶組織之一。ZEA可能通過線粒體途徑損害細胞，溶酶體脫穩(wěn)定化和線粒體損傷很可能與ZEA導致細胞凋亡有關（Abid-Essefi等，2004），但尚需證實。值得一提的是，所有這些機制都和ZEA誘導產生活性氧有關，因此，氧化應激是ZEA代謝產物毒性的又一個可能的機制。

4.3 損傷染色體的途徑 ZEA可增加人外周血淋巴細胞姊妹染色單體交換率；ZEA在枯草芽孢桿菌重組試驗中表現(xiàn)出DNA損傷效應，對溶源菌也有基因毒性，還有殺菌作用；ZEA能在體外誘導細胞的姊妹染色單體交換、染色體畸變和產生多倍性；還可在小鼠肝、腎中形成DNA加合物（Pfohl-Leszkowicz等，1995）。 Minervini等（2001）證實，94 μmoL ZEA及其衍生物增加牛卵母細胞的染色體異常。給小鼠飼喂216.6 mg/kg ZEA后，發(fā)現(xiàn)ZEA對骨髓細胞內的微核具有誘導作用（Ouanes等，2003）。Lioi等（2004）利用牛淋巴細胞為試驗對象進行ZEA毒性試驗發(fā)現(xiàn)，0.5 μmol/L的ZEA就可以導致染色單體斷裂及片段化，細胞生存能力下降。ZEA劑量為10 g/kg時，被證明能增加老鼠的精母細胞染色體斷裂，類似的方法在給懷孕老鼠飼喂時，發(fā)現(xiàn)胚胎里染色體失常增加，而且在老鼠骨髓細胞中發(fā)現(xiàn)染色體的失常于其呈現(xiàn)劑量上的相關。因此，ZEA對腫瘤的影響可能也存在其對染色體的損傷。

4.4 干擾雄激素代謝的途徑 ZEA還原為ZEL的反應由3α-羥甾脫氫酶催化，而該酶通常催化肝滅活甾體激素的一個重要反應，即還原雄甾烷二酮為雄甾酮。ZEA在體外試驗中干擾此還原反應，而使ZEL的形成受到強烈抑制 （張永紅等，1995）。 Yang 等（2007）證實，ZEA 和 α-ZOL（10-4、10-6mol/L和10-8mol/L）可顯著抑制人絨毛膜促性腺激素誘導的睪酮分泌，這種抑制作用與3β-羥基類固醇脫氫酶（3β-HSD-1）、細胞色素P450側鏈分裂酶（P450scc）和生成類固醇的敏感調節(jié)蛋白質（StAR）的轉錄下降相關。這可能是ZEA發(fā)揮作用的另一途徑，但尚需體內試驗證實。

4.5 其他可能的途徑 當ZEA在非雌激素濃度范圍內 （即導致不到10%細胞死亡的濃度范圍內），發(fā)現(xiàn)也能影響靶細胞主要的代謝及合成，導致蛋白質合成被阻，影響細胞的完整性，使細胞生活機能改變，這可能是ZEA產生毒性的又一機制。

5 結語

ZEA等真菌毒素的污染非常普遍，應該引起高度重視。真菌毒素不僅能夠通過貿易在世界各國進行傳播，還能夠通過食物鏈對人類健康造成威脅，因此，研究ZEA等真菌毒素的毒性機理及預防措施已刻不容緩。

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