(文献解读:胡荠心)饲粮硒通过生长激素-胰岛素样生长因子和下丘脑-垂体-甲状腺轴促进草鱼的生长性能

论文题目：Dietary seleniumpromotes the growth performancethrough growth hormone–insulin‑like growthfactor and hypothalamic–pituitary–thyroid axes in grass carp(Ctenopharyngodonidella)

第一作者：Pin Ma

通讯作者：Rong Tang

研究单位：1 College of Fisheries, Huazhong AgriculturalUniversity, Wuhan, P.R. China;2 Freshwater Aquaculture Collaborative InnovationCenter of Hubei Province,Wuhan, P.R. China;3 Institute of Hydrobiology, ChineseAcademy of Sciences,Wuhan, P.R. China

发表期刊：Fish Physiol Biochem

发表年份：2021年

DOI：https://doi.org/10.1007/s10695-021-00974-1

 

摘要

硒(Se)是去碘酶(DIOs)的重要组成部分，可调节甲状腺激素的含量，从而促进动物生长。为探讨硒添加水平对鱼生长代谢的影响，将270尾健康草鱼(草鱼)分为3组，分别饲喂硒水平为0.141、0.562和1.044 mg /kg的3个等级饲粮。结果表明，饲喂60 d后，饲粮硒提高了草鱼的终末体重和特定生长率。硒添加组肝脏DIO活性高于对照组。三碘甲状腺原氨酸(T3)、游离三碘甲状腺原氨酸(FT3)，促甲状腺激素(TSH)水平随着硒添加组甲状腺素(T4)和游离甲状腺素(FT4)含量降低而显著升高。甲状腺组织病理学观察表示：缺硒导致滤泡上皮细胞肥大。随着饲粮硒浓度的升高，dio1、dio2和dio3的基因相对表达量呈上升趋势。硒添加组HPT轴相关基因(crh、tsh-β、ttr、tr-s、tpo、nis)和GH/ igf1相关基因(GH、ghr、igf1、igf1r)的转录水平显著上调。0.562和1.044 mg Se/kg饲粮组除T3含量和dio1相对表达率外，上述指标均无显著差异。综上所述，饲粮硒添加改善了草鱼肝脏DIO活性和甲状腺激素代谢，调控了HPT和GH/IGF轴相关基因的转录水平，这可能是促进草鱼生长的原因。

前言

硒作为动物生存所必需的元素，以硒半胱氨酸(Sec)和硒蛋氨酸(Se- met)的形式与蛋白质结合，合成具有生物学作用的硒蛋白，且去碘酶(DIO)是一种硒蛋白。DIOs在甲状腺激素(TH)代谢中起着关键作用。据报道，鱼类甲状腺分泌的TH主要是甲状腺素(T4)，和由T4催化的通过DIOs而具有生物活性的三碘甲状腺原氨酸(T3)。也就是说，它们是脊椎动物体内的三种DIOs，即DIO1、DIO2和DIO3。其中，DIO1和DIO2能催化T4生成T3。此外，DIO1可将T4转化为逆行三碘甲状腺原氨酸(rT3)，DIO3可将T4和T3转化为非活性的rT3和二碘甲状腺原氨酸(T2)。前人对哺乳动物的研究表明，饲粮硒缺乏抑制了肝脏DIO活性，降低了T4向T3的转化。对鱼类的类似研究也有报道称，饲喂富硒饲料的箬鳎鱼(Solea senegalensis)幼虫，硒、T3和DIO水平显著升高。

硬骨鱼的生长性能受多种因素的调节。例如，THs的合成和分泌由下丘脑-垂体-甲状腺（HPT）轴介导。据广泛报道，膳食补硒可提高水生动物的增重（WG）和比生长率（SGR）。除TH外，生长激素（GH）位于GH-IGF轴的关键位置，对脊椎动物的生长也起着重要的调节作用。垂体分泌的GH与肝细胞表面的生长激素受体（GHR）结合，刺激胰岛素样生长因子（IGF）的合成和释放，IGF与胰岛素样生长因子结合蛋白（IGFBP）结合，作用于IGF受体（IGF-R）在靶细胞表面通过内分泌途径，进一步促进细胞增殖和生长。之前对于武昌鲷的研究表明饲粮硒增加血清中GH和IGF-I的含量以及肝脏中ghr2和igf1的mRNA转录水平。基于GH和TH之间的密切关系，我们假设补充硒可以通过HPT和GH-IGF轴影响生长。

本研究的重点是草鱼，草鱼是中国养殖的最大淡水鱼之一，因其价格合理且味道鲜美而占据了很大的市场份额。本研究评估了饲粮硒对生长性能、DIO活性和TH水平的影响。具体而言，检测HPT和生长轴相关基因的表达，并使用组织学分析评估甲状腺功能。目前的研究可以全面了解硒与鱼类生长和代谢之间的关系。

实验鱼及饲养试验

180条健康鱼类随机分为9个水桶（圆柱形，500升），每个处理3个重复，3个水桶。鱼用三种浓度的SY饲料喂养，每天两次，共60天，每日喂养量为鱼总质量的3%。每2周称重一次鱼，以调整喂食量。在平均水温为26℃的条件下饲养。5±1.0℃，pH值为7.8±0.2，溶解氧>5.5 mg/L。水性硒浓度<0.06毫克/千克。

结果

1 生长表现

草鱼的最终体重、WG和SGR在0.562 mg Se/kg饮食组显著高于其他组（表3；p<0.05）。在0。562mg硒/kg饲料组。此外，1.044 mg Se/kg饲料组和对照组之间的WG、SGR和FCR没有显著差异。试验期间各组草鱼的成活率为100%。

2 肝脏脱碘酶活性

对照组肝脏DIO1、DIO2和DIO3活性显著下降(p < 0.05)，而0.562和1.044毫克硒/千克饮食组之间没有显著性差异（图1）。在所有组中，DIO2的活性都处于最高水平。

3 血清甲状腺激素水平

饲料SY改变草鱼血清TH水平（图2）。对照组显示出最低的T3和FT3含量以及最低的T3/T4比率。0.562和1.044mg Se/kg与对照组相比，044 mg Se/kg饮食组的T3和T3/T4显著升高。此外，T3含量在1.044mg硒/千克组处于最高水平。与补充SY组相比，对照组T4和FT4显著升高（p<0.05）。然而，0.562和1.044mg Se/kg饲粮组之间的T4和FT4没有显著差异。此外，饲料补充SY改变草鱼血清TSH含量（图2f）。与对照组相比，补充SY组TSH含量显著升高（p<0.05），但与对照组相比无显著性差异（p>0.05），但0.562和1.044mg Se/kg饲粮组无明显差异。

4 甲状腺组织学观察

分析了实验组的甲状腺滤泡（图3）。对照组甲状腺滤泡上皮细胞肥大，滤泡腔内胶体稀薄，有空泡。甲状腺滤泡在0.562和1.044mg Se/kg饲料组不同，卵泡腔充满胶体。细胞核大小分析结果显示，硒缺乏导致甲状腺滤泡上皮肥大（图4）。

5 脱碘酶基因转录分析

对实验组的DIO基因表达水平进行了分析（图5）。在草鱼肝脏中，DIO1的相对表达水平为1.044 mg硒/千克日粮组显著高于其他日粮组（p<0.05）。在0.562和1与对照组相比（p<0.05），添加SY的两组之间无显著差异。

6 HPT轴相关基因的表达水平分析

饲料SY改变了草鱼脑内crh和tsh-β的表达水平，对照组crh和tsh-β表达水平

 

显著下调（p<0.05）。这两个基因的表达水平在0.562和1.044 mg Se/kg饮食组但无显著性差异(Fig. 6a)。0.562mg se/kg饲料组的 ttr、tr-α、tr-β、tpo和nis的表达水平显著上升，与对照组相比，1.044 mg Se/kg饲料组ttr、tr-β和tpo的转录水平显著升高（p<0.05）。0.562和1.044 mg Se/kg饮食组的ttr、tr-α、tr-β、tpo和nis的转录水平无明显差别。

7 GH-IGF轴相关基因表达分析

在脑组织中，0.562和1.044 mg Se/kg饲料组生长激素的mRNA水平明显上升（p<0.05），但这两组之间没有显著差异（图.7a）。在肝脏中，饲喂0.562mg Se/kg饲料的草鱼ghr, igf1，和igf1r处于最高水平，且显著高于对照组（p<0.05），但0.562和1.044 mg Se/kg饮食组之间没有显著差异。igfbp1a的转录水平在对照组最高，而用0.562 mg Se/kg饲料的草鱼显著降低了该基因的表达（p<0.05），但对照组和1.044 mg Se/kg饲料组之间igfbp1a表达水平无显著差异。对照组和SY组之间igf2和igf2r的转录水平无明显差异。在肌肉中，仅有0.562 mg se/kg饲料组igf1的转录水平上升（p<0.05），而各组间igf2的mRNA表达无显著差异。

讨论

众所周知，补硒可以有效地促进水生动物的生长，这一点在武昌鲷、草鱼、异育银鲫还有虹鳟鱼中已得到证实，先前的一项研究报告称，添加0.24和0.32mg硒/kg饲料添加可促进鲤鱼生长，但添加量达0.64mg/kg可抑制生长。在本研究中，0.562mg Se/kg饲料组的最终重量，WG和SGR为显著高于对照组，但这三个生长参数在1.044 mg Se/kg饲料组并没有更高。与我们的研究一致，Zheng等人（2018）观察到0562mg Se/kg饲料补充SY可使草鱼的最终体重、WG和SGR最大化，但当补充量达到1.049 mg/kg，生长参数降至对照组水平（0.025mg/kg）。因此，硒的缺乏和过量都可能抑制鱼类的生长。值得注意的是，尽管补硒能有效促进草鱼的生长，但在饲养60天后，SGR和FCR都很低。在以往对草鱼的研究中，富硒组的SGR为2.24和1.65。然而，本研究中的SGR为1.34我们认为，造成这种差异的主要原因是饲料原料和配方的不同。大多数T3是由鱼类血液循环中的T4脱碘形成的，而DIOs在鱼类血液循环中的转化中起着重要作用。肝脏是T4外周脱碘的主要场所，肝脏中DIOs的活性会影响全身TH的含量。在本研究中，与补充SY组相比，对照组中所有三种类型的DIO的活性和mRNA转录水平均显著降低。Bermano等人（1995年）发现，摄入缺硒饲料（0.052 mg/kg）6周的大鼠肝脏中DIO的活性和基因转录低于硒充足组（0.104 mg/kg）。同样，在喂食硒缺乏饮食2个月后，大鼠体内的DIO1、DIO2和DIO3活性显著降低。因此，膳食硒缺乏降低了DIOs的活性。然而，饲料硒含量越高，脱碘酶活性并不总是越高。我们的数据表明，0.562和1.044 mg Se/kg饲料组DIOs的基因表达和活性无显著差异。Behne等(1992)报道饲料硒饲喂2 mg/kg 3个月大鼠肝脏DIO活性显著低于0.3 mg/kg饲料硒组，与0.11 mg/kg饲料硒组相比，0.31 mg/kg亚硒酸钠组羔羊肝脏DIO1活性显著降低。可见，DIOs的活性并没有随着饲料硒浓度的增加而增加。过量添加硒对DIO活性有抑制作用，这可能与体内过量硒的存在形式有关。

硒添加组T3、FT3含量显著升高，T4、FT4含量呈下降趋势。添加硒的大鼠、山羊、犊牛、猫和鸡各组T3和T4的变化趋势相同。这种差异可能是由于肝脏中DIOs的合成增多，有报道称DIO1和DIO2促进T4向T3的转化。同样，在对塞内加尔比目鱼幼鱼的研究中，用新孵化的富硒蒿喂鱼15 d后，发现鱼体内T3含量显著增加。值得注意的是，本研究中0.562 mg /kg饲粮组与1.044 mg /kg饲粮组T4水平无显著差异。Behne等人(1992)发现高硒(2 mg Se/kg)和充足硒(0.2 mg Se/kg)组大鼠T4水平无差异。这与我们的结果是一致的。T4的含量不受硒的浓度依赖性，这可能是由于本研究中各硒添加组的DIOs活性相同。

TSH是调节鱼类甲状腺内分泌系统的重要激素，该激素可刺激甲状腺滤泡中THs的合成和释放。TH对鱼垂体TSH分泌具有负反馈作用。在本研究中，饲料硒缺乏降低了草鱼血清TSH水平。与我们的结果一致的是，有报道称，在给大鼠喂食缺硒饮食8周后，TSH水平显著降低。缺硒组TSH水平降低的原因可能是T4升高通过负反馈调节抑制TSH的分泌。

CRH可调节鱼的下丘脑-垂体-肾间轴(HPI)和HPT轴，并可调节TSH的释放。目前的研究数据表明硒缺乏组脑组织crh和tsh mRNA表达水平显著降低，与血清TSH的变化趋势一致，而与T4的变化趋势相反。据报道，缺硒组T4的增加通过负反馈调节降低tsh的转录来稳定T4的含量。此外，许多研究表明，T4的降低伴随着crh和tsh水平的升高，这与我们在补充硒组中的观察相一致。

TTR是鱼类中主要的甲状腺激素转运蛋白，TTR可与血清中大多数THs结合，将其转运至靶细胞，其余THs形成具有重要生物学功能的FT3和FT4，TTR与T3的结合能力高于toT4。硒添加组中ttr表达水平的升高是为了抑制FT3含量的升高。T3通过结合靶核内的TRs发挥生理作用。鱼类中有两种亚型TR，即TR-α和TR-β。硒添加组与对照组相比，tr-α和tr-β mRNA转录水平显著上调。TPO是甲状腺激素代谢的重要酶，其作用是催化碘离子与甲状腺球蛋白酪氨酸残基的加成反应，合成T4;此外，TSH可促进tpo基因的表达。同样，本研究发现饲粮硒增加了tpo的转录水平，这可能与TSH含量增加有关。碘化钠转运体(NIS)由slc5a5编码，其功能是通过基底外侧血浆将碘转运到甲状腺滤泡中合成THs。在本研究中，硒添加组nis基因的上调提示饲粮硒添加可提高碘的摄入量，从而合成甲状腺中消耗的T4。

结论

本研究结果证实，饲粮添加硒可促进草鱼DIOs和TH转化活性，调控HPT和GH-IGF1轴的基因表达，从而促进草鱼生长(图8)。促进生长的作用会减弱，甚至产生负面影响。当饲粮硒添加量超过一定时，促进生长的作用就会减弱。进一步的蛋白质和分子研究将有助于确定参与有机硒积极作用的代谢途径。