西兰花中的葡糖异硫氰酸盐可以转化成为莱菔硫烷，莱菔硫烷具有脱毒和抗氧化的功能，在与氧化逆境相关疾病的预防和治疗上有应用价值。它的生物功能主要通过调节谷胱甘肽硫转移酶(GST)、硫氧还蛋白还原酶(TrxR-1)等一系列二相酶和抗氧化酶实现。本文对莱菔硫烷脱毒和抗氧化功能机制研究进展作一综述。

1 莱服硫烷的来源和代谢

流行病学研究表明，十字花科蔬菜能降低癌症发生风险^[1]。对其作用机制的研究表明，其中的有效成分是葡糖异硫氰酸盐。但葡糖异硫氰酸盐无活性，它经芥子酶催化水解，释放出葡葡糖，同时产生的不稳定的羰基中间体，经重排后才形成具有活性的异硫氰酸酯(ITC)。莱菔硫烷(sulforaphane)属ITC，其活性基团为-N=C=S。莱菔硫烷的前体物葡糖异硫氰酸酯主要存在于西兰花(broccoli)中，其中西兰花3d幼苗富集得最多，每克(千重)幼苗经水解可产生2mg左右莱菔硫烷^[2]。因西兰花在西方膳食结构中是主要疏菜，针对莱菔硫烷的生物功能的研究成为ITC研究的重点。本文侧重介绍莱菔硫烷的脱毒和抗氧化功能和机制。

细胞暴露在莱菔硫烷中，莱菔硫烷会在1h内大量进入细胞，与胞内硫醇，尤其是谷胱甘肽(GSH)结合。莱菔硫烷和GSH的结合在谷胱甘肽硫转移酶(GST)的催化下进行，生成的产物是谷胱甘肽加合物(谷胱甘肽二硫代氨基甲酸酯)。莱菔硫烷主要以这种形式在细胞内快速积累。谷胱甘肽加合物可在γ-谷氧酰转肽酶(γ-GT)和半胱氨酸甘氨酸酶(CG)作用下，脱去γ-谷氨酸之后，在N-乙酰基转移酶(NAT)催化下生成硫醇尿酸衍生物^{[3, 4]}。

2 莱菔硫烷脱毒和抗氧化功能的机制

Nrf2(NF-E2-related factor2)是细胞调节抗氧化应激反应的转录因子。在非刺激态，Kelch-like ECH associated protein 1(Keep 1)把Nrf2系于肌动蛋白细丝上，Nrf2被阻滞于细胞质中^[5]。研究表明^[6]，莱菔硫烷通过激活Nrf2，进而调解二相酶和抗氧化酶发挥其生物功能。未加入莱菔硫烷时，Nrf2与Keap 1结合而被锚定在胞浆中。莱菔硫烷或其他诱导物进入细胞后，可以通过修饰巯基破坏Keap 1-Nrf2复合物。释放出的Nrf2进入细胞核中，结合到基因的抗氧化反应元件(ARE)区域。ARE存在于一些二相酶和抗氧化酶基因中，与Nrf2结合后，将激活这些二相酶和抗氧化酶的转录，进而导致二相酶和抗氧化酶的大量合成。Nrf2对莱菔硫烷发挥脱毒与抗氧化作用至关重要，与野生型小鼠相比较，敲除Nrf2小鼠细胞中的二相脱毒酶和抗氧化酶水平下降，不受莱菔硫烷的调解，并且对细胞毒性剂敏感^[7]。

细胞内各种异硫氰酸酯的积累水平决定了其调解二相酶的能力^[3]。异硫氰酸酯的积累会很快消耗细胞内的GSH，激活Nrf2。莱菔硫烷是目前在食物中发现的最有潜力的Nrf2调节剂^[4]。它可以诱导谷氨酰半胱氨酸合成酶重链与轻链亚基(γGCS_H、γGCS_L)，使GSH快速回升并超出正常水平；可以诱导具脱毒功能的二相酶，包括醌还原酶(QR)、谷胱甘肽硫转移酶(GST)、葡萄糖苷酸(基)转移酶(UGT)、金属硫因(MT)、多药抵抗蛋白(MRP)。这些脱毒酶能够保护细胞对抗致癌物、致突变物和其他形式的毒物；还可以诱导抗氧化酶，包括血红素加氧酸-1(HO-1)、硫氧还蛋白还原酶(TrxR-1)和胃肠谷胱甘肽过氧化物酶(GI-GPx)，保护细胞不受活性氧(ROS)的伤害。

3 莱菔硫烷的生物功能 3.1 防癌作用

莱菔硫烷在癌症形成的多个步骤中有阻止和抑制的功能。莱菔硫烷可以抑制一相酶，因此阻滞了致癌前体物转化成致癌物的代谢^[8]。它还可以调节多种二相酶，诱导致癌物经过脱毒途径转化成为二相酶加合物排出体外^[9]。除致癌物质外，基因突变还可能来源细菌感染，而莱菔硫烷可以有效抑制和杀伤幽门螺旋杆菌^[10]。此外，它可以抑制癌性细胞的生长和促进其凋亡^[11]。不仅如此，莱菔硫烷对于癌细胞转移也有明显抑制作用^[12]。

3.2 拮抗有害元素

金属硫因(MT)是一族小分子量蛋白，富含半胱氨酸，他们可以与Cd、Co、Ni、Ag和Hg等作用，具有解毒重金属功能。MT基因的启运子上有ARE，因此，可被莱菔硫烷剌激。在HpeG2细胞中观察到了莱菔硫烷诱导MT的mRNA和蛋白高达10倍的表达^[13]，在动物中甚至高达40倍的mRNA表达^[14]。用莱菔硫烷处理鼠肝细胞，莱菔硫烷通过激活Nrf2诱导MRP，MRP使细胞中As积累下降，使细胞对As毒性抵抗显著加强^[15]。

3.3 抗氧化功能

和维生素C、维生素E等直接抗氧化相比，莱菔硫烷本身并不直接参与还原反应，相反它与GSH和蛋白巯基反应，但是它刺激的氧化应激会激活Nrf2，从而诱导产生一系列二相酶和抗氧化酶与活性氧反应。与维生素C、维生素E等小分子抗氧化剂相比，二相酶和抗氧化酶可以在一段时间内持续存在，因而实验能观察到莱菔硫烷不仅具有的抗氧化功能，其功能可以在其吸收后保持较长的时间^[16]。

3.3.1 降低氧化性毒剂对视觉细胞的损伤

在人视网膜色素上皮细胞中加入甲萘醌等氧化剂，将细胞一半杀死所需的氧化剂用量称为Dm值。实验表明，在细胞中加入莱菔硫烷，可以保护细胞免受多种氧化剂伤害从而提高Dm值。同时发现Dm值上升与细胞中的GST、QR和GSH水平上升高度相关，说明莱菔硫烷的抗氧化作用与调节二相酶有关^[16]。视黄醛和视黄醇参与视觉形成循环，其中视黄醛在适当的光照下会引发单线态氧的形成，从而损伤脂质和细胞的其他成分。在人视网膜色素上皮细胞中加入视黄醛，再经过紫外光或荧光照射就会产生光氧化细胞毒，导致大量细胞死亡。用莱菔硫烷预处理的细胞，其存活率明显升高^[17]。而莱菔硫烷对敲除Nrf2的人视网膜色素上皮细胞则无保护作用，进一步说明该途径的重要^[17]。除了对氧化毒剂的保护作用，最近发现鼠视网膜恶化与硫氧还蛋白系统(Trx)削弱有关，其视网膜细胞中的Trx mRNA和蛋白、TrxR和Nrf2大幅度的减少。给予这种鼠菔硫烷后，发现莱菔硫烷显著上调视网膜细胞中的Trx、TrxR和Nrf2的量。有效逆转视觉细胞的退化^[18]。因此，西兰花以及它的幼苗为预防视力退化提供一条新的途径。

3.3.2 降低高血压的副作用

氧化逆境和高血压的发生存在因果关系，超氧阳离子等氧化剂和一氧化氮作用形成过氧化氮，从而削弱了一氧化氮使平滑肌松驰的功能，引发高血压。过氧化氮是一种很强的氧化剂，它可以激活转录因子NF-κB引起炎症。因此，减弱氧化逆境将有助于预防或缓解高血压。GSH和高血压的发生也存在因果关系，比较取自高血压大鼠(SHR)和取自正常大鼠的平滑肌细胞可以发现，SHR细胞内中GSH水平较低；而提高SHR平滑肌细胞中的GSH，则能明显改善高血压。莱菔硫烷作为GSH的有力调节剂，可以降低细胞的氧化性压力。给予SHR富含莱菔硫烷前体的西兰花幼苗，SHR的GSH增加而其氧化型GSSG减少，GSH相关酶(谷胱甘肽过氧化物酶和还原酶)活性增加，大鼠血压升高幅度显著低于未服用西兰花幼苗的SHR，动脉血管的舒张能力增强，肾、心、颈动脉等组织中NF-κB的活性减弱，渗透进入的巨噬细胞减少^[19]。因此，西兰花以及它的幼苗在预防和改善高血压方面有应用前景。

3.3.3 与硒协同作用

硫氧还蛋白还原酶(TrxR-1)是一种含硒酶，催化氧化型硫氧还蛋白还原。还原型硫氧还蛋白可以还原甲硫氨酸亚砚还原酶、硫氧还蛋白过氧化物酶、核糖核苷酸还原酶、ASK-1、p53、Ref-1等抗氧化、抗衰亡和信号分子。因此，硫氧还蛋白还原酶系统是体内GSH系统之外的另一重要系统。莱菔硫烷可以通过释放Nrf2，使其与TrxR-1基因上的ARE结合，从而激活其基因转录，再翻译成TrxR-1蛋白。由于含硒酶对硒的响应很容易达到饱和，进一步提高硒TrxR-1活力不再增加。在SF的刺激下，两者在HepG2细胞内可以对TrxR-1产生协同增强作用^[20]。在人内皮细胞中，也发现类似现象，与单一硒或莱菔硫烷相比较，细胞对叔丁基过氧化物的耐受进一步增强。胃肠谷胱甘肽过氧化物酶(GI-GPx,GPx2)是一种可以阻挡氢过氧化物吸收的含硒蛋白，GI-GPx还与控制细胞的恶性增长有关。在其催化下，谷胱甘肽将过氧化氢还原成为水。GI-GPx的基因也是Nrf2的一种靶基因。莱菔硫烷可以激活GI-GPx基因上的ARE，使GI-GPx蛋白的表达量上升。因此，西兰花和硒有协同作用，是发展功能食品的重要方向^[21]。

4 展望

综上所述，莱菔硫烷通过释放Nrf2，调节GST、MT、QR、HO-1、TrxR等多种二相酶和抗氧化酶，从而发挥脱毒和清除活性氧的生物功能。事实上这些事件并不是孤立地发生，在细胞中加入莱菔硫烷后，它能同时剌激众多基因的表达，显著上调多种有益酶类。这些酶能够在脱毒和抗氧化方面起协同作用，它们的作用路径相互连接。例如GST脱毒和GI-GPx消除过氧化氢都依赖GSH，莱菔硫烷可同时激活GST和GI-GPx，增加GSH，从而使各条途径上的多种关键分子有效调动。此外，细胞内抗氧化防御主要涉及GSH和Trx两大系统，莱菔硫烷能通过上调TrxR-1和GSH，同时激活这两个关键系统。显然莱菔硫烷的Nrf2激活能力可以全面调动细胞脱毒和抗氧化防御，莱菔硫烷表现出强有力的脱毒和清除活性氧的功能，它易于通过摄取西兰花而获取，为预防疾病提供了一条简易而安全的措施。