人溶菌酶转基因玉米通过抑制DSS诱导的结肠炎小鼠中的cGAS/STING信号通路来改善结肠炎症

《Food Frontiers》：Human Lysozyme Transgenic Maize Improves Colonic Inflammation by Inhibiting the cGAS/STING Signaling Pathway in DSS-Induced Colitis Mice

通过将人类溶菌酶基因（HLZ）导入玉米，研究发现转基因玉米能显著改善DSS诱导的结肠炎小鼠的肠道屏障功能，减少凋亡和炎症因子（如IFN-β、IL-6）的表达，并调控肠道菌群结构。该转基因玉米通过抑制cGAS/STING信号通路和恢复线粒体功能实现治疗效果，为开发低成本炎症性肠病治疗食品提供了新途径。

　　本研究围绕人类溶菌酶（Human Lysozyme, HLZ）在玉米中的表达及其对炎症性肠病（Inflammatory Bowel Disease, IBD）的潜在治疗效果展开。IBD是一类由自身免疫反应引起的慢性肠道炎症疾病，主要表现为克罗恩病和溃疡性结肠炎，其特点是病情反复发作且治疗效果有限，导致患者长期承受高昂的医疗费用。在一些发展中国家，这种疾病的发生率逐年上升，给患者和家庭带来了沉重的经济负担。因此，寻找一种经济、安全且易于获取的治疗手段成为研究的重点。HLZ是一种天然的抗菌物质，能够破坏细菌细胞壁，进而杀死细菌，尤其对革兰氏阳性菌具有显著作用。此外，HLZ在慢性炎症的肠道组织中表达水平升高，被认为在维持肠道黏膜稳定性和抑制炎症反应中发挥重要作用。

为了探索HLZ在玉米中的表达潜力，研究人员将HLZ基因导入玉米基因组，并通过一系列实验验证其表达效果及对肠道健康的影响。通过使用玉米胚乳特异性启动子驱动HLZ基因的表达，确保其在玉米胚乳中高效积累。同时，研究人员对HLZ基因进行了密码子优化，使其更适应玉米基因组的表达机制，并在基因末端添加了内质网保留序列（KDEL），以提高HLZ蛋白的稳定性。最终，构建出一种具有HLZ蛋白高表达能力的转基因玉米株系。该转基因玉米在胚乳中表现出HLZ蛋白的高积累，并且其整体蛋白表现出显著的溶菌活性，这表明其具备良好的抗菌性能。

进一步的实验发现，转基因玉米在不影响玉米产量和蛋白质质量的前提下，显著提高了HLZ蛋白的积累。通过对转基因玉米进行喂养实验，研究人员发现其能够有效改善由葡聚糖硫酸钠（Dextran Sulfate Sodium, DSS）诱导的结肠炎小鼠的肠道屏障功能，减少肠道黏膜损伤，并恢复结肠长度。此外，转基因玉米还能抑制肠上皮细胞的凋亡，改变肠道微生物群的组成，进而影响宿主的免疫反应。这些结果表明，HLZ在玉米中的表达不仅能够增强其溶菌活性，还能够通过多种机制改善肠道健康状况。

在微生物群分析方面，研究发现转基因玉米能够减少革兰氏阳性菌的相对丰度，同时增加革兰氏阴性菌的比例。这种变化可能有助于维持肠道微生物的平衡，从而改善肠道屏障功能和免疫调节。此外，研究还发现转基因玉米能够提高短链脂肪酸（Short-Chain Fatty Acids, SCFAs）的血清浓度，尤其是己酸和异戊酸的水平显著增加。SCFAs是肠道微生物代谢产生的生物活性物质，对于维持肠道稳态和免疫调节具有重要作用。因此，转基因玉米可能通过影响肠道微生物群和SCFAs水平，间接改善肠道健康。

在分子机制层面，研究发现转基因玉米能够改善由DSS诱导的线粒体功能障碍，从而抑制cGAS/STING信号通路的持续激活。cGAS/STING通路是哺乳动物细胞中一种重要的先天免疫应答通路，主要感知细胞质中的异常DNA，进而引发炎症反应。研究通过Western blot和RT-qPCR等技术，验证了转基因玉米在小鼠结肠组织中显著降低了cGAS、STING和磷酸化TBK1（TBK1-phosSer172）的表达水平。这表明HLZ能够通过改善线粒体功能，进而抑制cGAS/STING信号通路的激活，减少炎症因子如IFN-β和IL6的释放。

此外，研究还发现转基因玉米能够调节与肠道炎症相关的基因表达。通过对小鼠结肠和脾脏组织的转录组分析，研究人员发现转基因玉米显著逆转了DSS诱导的基因表达异常，包括IFN-β、IL6、IL17a等促炎因子的表达水平降低，而NK1.1、CD8和CD4等免疫相关基因的表达水平则升高。这表明HLZ不仅能够直接抑制炎症反应，还能通过调节免疫细胞的活性，改善肠道免疫功能。同时，研究还发现HLZ能够提高UCP2基因的表达水平，UCP2是一种与线粒体功能调控密切相关的基因，其表达水平的变化可能影响线粒体ROS的产生，从而改善线粒体功能。

在实际应用层面，转基因玉米作为一种食品资源，具有广阔的应用前景。与传统的药物相比，转基因玉米具有成本低、易于大规模种植和长期食用的优势。因此，它可能成为一种更经济、更可持续的IBD治疗方案。然而，尽管转基因玉米在实验中表现出良好的效果，但其在人类中的实际应用仍需进一步验证。目前的研究尚未在人类群体中进行HLZ转基因玉米与IBD药物的直接对比，因此需要更多的临床试验来确认其安全性和有效性。此外，转基因玉米在食品加工过程中的稳定性也需要进一步研究，以确保其在实际使用过程中仍能保持较高的溶菌活性。

综上所述，本研究首次将HLZ基因导入玉米基因组，并成功实现了其在胚乳中的高表达。研究结果表明，HLZ转基因玉米不仅能够提高溶菌活性，还能通过多种机制改善肠道屏障功能、抑制肠道上皮细胞凋亡、调节肠道微生物群和改善免疫功能，从而有效缓解IBD症状。该研究为开发一种新型、低成本的IBD治疗手段提供了理论依据和实验支持。未来，研究者可以进一步探索HLZ转基因玉米在不同食品加工过程中的稳定性，以及其在人类中的潜在治疗价值，以推动其在临床应用中的进展。