維生素A缺乏導致器官發育異常的研究進展

張卉 馮一

摘 要：綜述了維生素A缺乏導致腦組織、免疫系統的損傷和胚胎發育異常的研究進展，并簡要概述了可能的作用機制。

關鍵詞：維生素A缺乏;腦功能;免疫系統;胚胎發育

維生素A是人體必需的微量元素，其氧化產物視黃酸（RA）是維生素A在體內發生多種生物作用的活性形式，在視覺形成、細胞分化、胚胎發育、免疫應答和神經系統發育等方面都發揮著重要作用。維生素A缺乏（VAD）是世界衛生組織確認的四大營養缺乏癥之一，多見于嬰幼兒。據WHO估計，全球有1.9億（33.3%）學齡前兒童存在VAD，2015年我國12歲及以下兒童中VAD的發生率為5.16%，邊緣性維生素A缺乏（MVAD）的發生率為24.29%[1];2016年中國疾病預防控制中心針對全國22個中西部省份兒童的調查數據顯示，我國學齡兒童VAD及亞臨床缺乏率高達32.9%。VAD多見于低齡兒童，5歲以下兒童的缺乏率為9.23%，農村兒童缺乏率顯著高于城鎮兒童[1]，內蒙、新疆、甘肅等邊遠地區的缺乏率（20.2%）顯著高于浙江等發達地區兒童的缺乏率（3.08%）[2]。過去對于VAD造成的影響一直集中在較為嚴重、會威脅到生命的疾病上，近些年，隨著人們對于VAD的問題越來越重視，其對于腦發育的損傷逐漸得到發現，對于免疫系統和胚胎發育的作用也得到了進一步的認識。本文綜述了近幾年關于VAD對于腦組織、免疫系統的損傷和胚胎發育異常的相關研究進展，簡要概述了可能的作用機制。

1 維生素A缺乏導致腦發育異常

1.1 對海馬回的影響

海馬回是大腦中的最佳學習區域，含有能特異性識別RA的RARα受體。大鼠實驗中發現，VAD能阻斷RARα受體或RARβ受體表達，導致海馬回中的長時程增強（LTP）和CA1區域的長時程抑制（LTD）消失，大鼠穿越迷宮的能力顯著下降。這可能是由于VAD導致受RARα調節的N-甲基-D-天門冬氨酸（NMDA）受體亞單位NR1基因的表達降低，由該基因支配的電壓依賴性鈣離子通道出現異常，損傷了海馬回的神經可塑性[3]。后續的研究發現，RARα對NR1的作用可能是通過非受體酪氨酸激酶Scr介導完成的[4]。VAD導致的海馬回功能障礙和學習能力障礙還可能是由RARα控制環AMP反應元件結合蛋白介導的組蛋白乙?；陆翟斐傻腫5-6]。VAD能通過NGF（神經生長因子）/TrkA通路，或在NGF作用下經中隔海馬膽堿能途徑的間接作用阻礙海馬回中神經元的分化形成[3]，該機制可能與大鼠空間記憶損傷有關[3，6]。

1.2 對下丘腦的影響

下丘腦是激素調節的指揮中心，含有大量RARβ受體。研究發現，生命早期VAD能夠通過減少下丘腦中RARβ和CD38的表達，阻斷CD38-OXT 旁路，降低血清中后葉催產素（OXT）的水平，導致實驗動物出現自閉癥樣行為[7]。臨床研究還發現，自閉癥兒童存在明顯的VAD，給自閉癥兒童補充維生素A后，兒童孤獨癥頻分量表（CARS）評分顯著降低，自閉癥狀有明顯改善[8]。下丘腦中的RA水平還參與了大鼠體重、生長速度和食欲季節變化的調節，給實驗動物停用維生素A后，其血清視黃醇濃度立刻出現下降，體重和食欲的減退也隨之出現[7]。

2 維生素A缺乏導致免疫功能改變

2.1 氧化損傷和炎性改變

維生素A進入人體后以視黃醇的形式發揮作用，它能與視黃醇結合蛋白（RBP）和甲狀腺素運載蛋白結合，作用于特定靶細胞或細胞核，參與視敏度、上皮組織完整性、免疫能力和基因表達的調節。VAD使以上功能無法實現，出現上皮角化、免疫力下降，患兒會出現發熱、嚴重角膜結膜炎、抗生素治療無效的膿尿菌尿以及尿培養銅綠假單胞菌持續陽性等炎癥和感染表現[9]。VAD導致的氧化損傷和炎性改變，可能與體內NO水平的增加有關。動物實驗發現，大鼠VAD時，體內IL-1β表達增加，血清中由其介導產生的NO相關分子數量增加，后者與超氧陰離子結合能夠產生具有強氧化作用的過氧亞硝酸鹽，介導低密度脂蛋白（LDL）氧化作用，巨噬細胞大量吞噬氧化低密度脂蛋白（OX-LDL）形成泡沫細胞，最終造成主動脈發生粥樣硬化和炎性改變，病變部位可檢測到TNF-α、NADPH氧化酶NOX-2、血管內皮黏附因子VCAM-1和轉化因子TGF-β1等炎癥因子表達增加和谷胱甘肽（GSH）水平降低[10-11] 。VAD導致的炎性改變，還可能與NF-κB信號通路和p38MAPK信號通路的激活有關。研究發現，VAD能顯著減少草魚腸道中段和末端中IκBα mRNA的表達，使作為NF-κB通路關鍵因子的NF-κB p65和c-Rel mRNA表達顯著增加，激活NF-κB信號通路，促炎因子TNF-α、IFN-γ2、IL-1β、IL-6、IL-15＼IL-17D、IL-12p35 mRNA表達增加，抗炎因子IL-10、IL-11、TGF-β1、TGF-β2、IL-4/13A、IL-4/13B mRNA表達減少，導致炎癥腸道炎癥發生。VAD導致的p38MAPK信號通路的激活，也可發揮相似作用，但具體作用機制尚不清楚[12]。

2.2 免疫耐受受損

經腸道免疫耐受的建立，是預防過敏反應和其他免疫性疾病的重要機制。VAD可通過多種機制影響免疫耐受形成。存在先天性VAD的新生小鼠腸壁通透性較高，辣根過氧化物酶（HPR）和磺酸等抗原物質能輕易跨越腸壁;VAD使腸道淋巴結中具有視黃醛脫氫酶（RALDH）活性的CD103+樹突細胞不能有效識別這些抗原物質，Th1細胞的活化和增殖受到抑制，導致免疫耐受形成受阻，引發過敏反應[13]。RA在誘導Foxp3+ Treg細胞產生中發揮重要作用。在成年鼠的體內研究發現，VAD導致CD4+T細胞的生長分化受阻，TGF-β分泌減少，經CD11c+細胞誘導產生的Foxp3+ Treg細胞數量下降，無法有效抑制進入體內的抗原物質引發的免疫反應，使體內OVA特異性抗體和細胞因子數量增加[14]，引發全身性免疫反應。

2.3 腸道微生物種類和數量改變

VAD通過破壞腸道黏膜免疫平衡，對微生物群種類和所占比例的變化造成間接影響[15]，導致感染發生和代謝改變。大鼠體內VAD會引起腸道分泌黏液的杯狀細胞在結腸中排列改變，MUC2 mRNA表達下降導致杯狀細胞分泌黏液減少，胃腸道腔體與腸道內容物之間的黏膜屏障破壞，使得致病菌入侵腸道上皮，粘附在細胞表面;與此同時，VAD能影響腸道內潘氏細胞的分化成熟，使defensin 6 mRNA表達下降，防御素含量減少，無法通過破壞細菌細胞膜發揮抗菌作用;VAD還能識別革蘭陽性肽聚糖和脂肽的toll樣受體2（TLR2）和能識別病原體鞭毛蛋白的toll樣受體5（TLR5）表達異常增加。多條途徑共同導致VAD大鼠腸道內菌群結構發生改變，乳酸桿菌比例下降，致病性大腸桿菌菌株數量增加[16]。還有研究發現，VAD時可觀察到小鼠腸道黏膜上皮出現異常改變，杯狀細胞數量增加，回腸中的共生菌分節絲狀菌（SFB）、硬壁菌門和變形桿菌等數量均減少，共生菌產生的ATP也隨之減少，其誘導的結腸固有層中特異性高CD70低CD11細胞產生的Th17細胞也隨之減少[17]。VAD導致的盲腸中厚壁菌/擬桿菌比例增加，結腸內梭菌XVIII和羅氏菌含量減少[18]，也可能與此有關[15]。菌群比例的改變會導致代謝異常，血糖升高，對胰島素反應不敏感，脂質氨基酸水平降低，產生丁酸鹽的能力降低，最終對宿主能量代謝和腸道免疫功能造成影響[15]。 杯狀細胞分泌的巖藻糖化糖蛋白釋放的巖藻糖，能被共生微生物代謝，成為其能量來源，保護宿主免受內源性病原體感染、增加其對感染的耐受性[19]，VAD使具有促炎抗菌活性的3型天然淋巴細胞（ILC3）和細胞因子的產生減少[20]，杯狀細胞分泌的巖藻糖基化糖蛋白的結構發生改變[21]，使腸道菌群共生基礎的巖藻糖基化過程受阻。

3 維生素A缺乏導致的表觀遺傳學改變與胚胎發育異常的關系

3.1 DNA異常甲基化

維生素A，尤其是其活性狀態視黃醇，是誘導各種表型效應產生表觀遺傳改變和修飾的有效制劑[22]，它能通過TET蛋白使胞嘧啶（5mC）去甲基化形成5-羥甲基胞嘧啶（5hmC）。研究發現，在體外培養的原始胚胎干細胞（nESCs）中加入視黃醇物質后，細胞中5mC數量顯著減少和5hmC數量的增加，在這些nESCs中可檢測到TET2和TET3mRNA的表達明顯增加;使用CRISPR/Cas9可證實視黃酸反應元件（RARE）在視黃醇對TET2的調節中起指導作用[23]。若培養基中缺乏視黃醇物質，胚胎干細胞中的5hmC水平就會出現明顯下降[23]，這可能是由于VAD能抑制TET蛋白功能，導致DNA去甲基化過程受到抑制，DNA甲基化/去甲基化比例失調。生命早期營養素和環境因素導致的表觀遺傳方式改變如DNA異常甲基化，會導致日后代謝性疾病的發生[24]。

3.2 胎兒和新生兒形態發育異常

VAD導致的胚胎發生和胎盤發育異常與DNA異常甲基化相關[21]。李娜等[25]的動物實驗發現，VAD會導致母鼠不孕、流產和子代畸形，研究中他們使用重亞硫酸鹽測序法檢測了VAD及補充對E12.5d大鼠胚胎Hoxa5基因啟動子上游區DNA甲基化水平的影響，并使用RT-PCR和 western blot分別檢測這些大鼠胚胎中視黃酸受體（RARs）基因、Hoxa5基因mRNA水平和蛋白水平的表達，發現VAD及MVAD可能通過干擾RARs基因mRNA水平和蛋白水平的正常表達，抑制同源盒基因（Hox genes）啟動子上游區域在胚胎發育過程中的去甲基化作用，致使Hox基因在轉錄水平和翻譯水平下調，從而產生對胚胎的發育毒性，使胚胎的各器官出現畸形，如顱骨畸形、無眼或小眼、腭裂、釉質和牙本質發育不良、心臟畸形、環狀軟骨和氣管軟骨的缺陷、腎移位等。還有研究發現，取E13.5d的VAD鼠胚胎心臟組織，使用亞硫酸氫鹽特異性聚合酶鏈反應（BSP）提取DNA，克隆測序GATA-4基因中的可疑甲基化位點CpG島，可檢測到VAD鼠胚胎心臟中介導心肌細胞分化、增殖和存活的GATA-4基因甲基化率明顯增加。這可能是由于VAD導致胚胎心臟中參與GATA-4基因甲基化的DNA甲基轉移酶1（DNMT1）表達上調，維持正常形態發育的DNMT3a和DNMT3b表達下調，使GATA-4基因表達受阻，最終導致胚胎心臟畸形[26]。VAD導致的子代畸形與DNA異常甲基化關系密切，其具體的作用機制以及VAD導致的其他表觀遺傳學改變還需未來通過更多的動物實驗進一步探索。

4 結論

維生素A對大腦認知功能、免疫功能和DNA的甲基化過程產生重要影響，其缺乏將導致各組織器官內RA相關的基因無法正常表達、信號通路無法正常發揮作用，最終造成形態學改變和功能障礙。未來的研究應該更加致力于對VAD發病機制的研究，減少VAD對于兒童健康的威脅。

參考文獻

[1]Song P，Wang J，Wei W，et al.The prevalence of vitamin a deficiency in Chinese children：a systematic review and bayesian meta-analysis[J].Nutrients，2017，9（12）：1285.

[2]楊春，楊曉光.中國人群維生素A的影響因素[J].醫學綜述，2016，22（7）：1249-1252.

[3]Emilie B，et al.Retinoic acid restores adult hippocampal neurogenesis and reverses spatial memory deficit in vitamin a deprived rats[J].PLoS ONE，2008，3（10）：e3487.

[4]Zhang X，Yuan X，Chen L，et al.The change in retinoic acid receptor signaling induced by prenatal marginal vitamin A deficiency and its effects on learning and memory[J].The Journal of Nutritional Biochemistry，2017，47：75-85.

[5]Hou N，et al.Vitamin a deficiency impairs spatial learning and memory：the mechanism of abnormal CBP-dependent histone acetylation regulated by retinoic acid receptor alpha[J].Molecular Neurobiology，2015，51（2）：633-647.

[6]Stoney P N，Mccaffery P .A vitamin on the mind：new discoveries on control of the brain by vitamin A[J].World Review of Nutrition & Dietetics，2016（115）：98.

[7]Lai X，Wu X，Hou N，et al.Vitamin A deficiency induces autistic-like behaviors in rats by regulating the RARβ-CD38-Oxytocin axis in the hypothalamus[J].Molecular Nutrition & Food Research，2018，62（5）：1-10.

[8]Guo M，Zhu J，Yang T，et al.Vitamin A improves the symptoms of autism spectrum disorders and decreases 5-hydroxytryptamine （5-HT）：a pilot study[J].Brain Research Bulletin，2018（137）：35.

[9]Martini S，Rizzello A，Corsini I，et al.Vitamin A deficiency due to selective eating as a cause of blindness in a high-income setting[J].Pediatrics，2018，141（Suppl 5）：S439.

[10]Gatica L，et al.Vitamin A deficiency induces prooxidant environment and inflammation in rat aorta[J].Free Radical Research Communications，2005，39（6）：621-628.

[11]Gatica L V，et al.Implication of vitamin A deficiency on vascular injury related to inflammation and oxidative stress.Effects on the ultrastructure of rat aorta[J].European Journal of Nutrition，2012，51（1）：97-106.

[12]Zhang L，Feng L，Jiang W D，et al.Vitamin A deficiency suppresses fish immune function with differences in different intestinal segments：the role of transcriptional factor NF-κB and p38 mitogen-activated protein kinase signalling pathways[J].British Journal of Nutrition，2017，117（1）：67-82.

[13]Turfkruyer M，et al.Oral tolerance is inefficient in neonatal mice due to a physiological vitamin a deficiency[J].Mucosal Immunology，2015，9（2）：479-491.

[14]Nakamoto A，et al.Vitamin A deficiency impairs induction of oral tolerance in mice[J].Journal of Nutritional Science & Vitaminology，2015，61（2）：147-153.

[15]Tian Y，Nichols R G，Cai J，et al.Vitamin A deficiency in mice alters host and gut microbial metabolism leading to altered energy homeostasis[J].Journal of Nutritional Biochemistry，2017（54）：28-34.

[16]Amitromach E，Uni Z，Cheled S，et al.Bacterial population and innate immunity-related genes in rat gastrointestinal tract are altered by vitamin A-deficient diet[J].Journal of Nutritional Biochemistry，2009，20（1）：70-77.

[17]Cha H R，et al.Down regulation of Th17 cells in the small intestine by disruption of gut flora in the absence of retinoic acid[J].Journal of Immunology，2010，184（12）：6799.

[18]Kau A L，Ahern P P，Griffin N W，et al.Human nutrition，the gut microbiome and the immune system[J].Nature，2011，474（7351）：327-336.

[19]Pickard J M，et al.Rapid fucosylation of intestinal epithelium sustains host-commensal symbiosis in sickness[J].Nature，2014，514（7524）：638-641.

[20]Sirisinha S.The pleiotropic role of vitamin A in regulating mucosal immunity[J].Asian Pac J Allergy Immunol，2015，33（2）：71-89.

[21]Wiseman E M，Bar-El D S，Reifen R.The vicious cycle of vitamin a deficiency：a review[J].Crit Rev Food Sci Nutr，2017，57（17）：3703-3714.

[22]Dadon B E，Reifen R.Vitamin A and the epigenome[J].C R C Critical Reviews in Food Technology，2015，57（11）：2404-2411.

[23]Hore T A，et al.Retinol and ascorbate drive erasure of epigenetic memory and enhance reprogramming to nave pluripotency by complementary mechanisms[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2016，113（43）：12202.

[24]Menezo Y J，et al.Oxidative stress and alterations in DNA methylation：two sides of the same coin in reproduction[J].Reproductive Biomedicine Online，2016，33（6）：668.

[25]李娜.Hox基因介導維生素A缺乏導致大鼠胚胎先天畸形的機制研究[D].武漢：華中科技大學，2009.

[26]Feng Y，et al.Alteration in methylation pattern of GATA-4 promoter region in vitamin A-deficient offsprings heart[J].Journal of Nutritional Biochemistry，2013，24（7）：1373.

Abstract：This paper reviewed research progress on brain dysfunction，immune injury and abnormal embryonic development caused by vitamin A deficiency（VAD），and detailed possible mechanisms.

Keywords：vitamin A deficiency（VAD）;brain function;immune system;embryo development

（責任編輯 李婷婷）