夏程程 楊 番 鐘曉凌 李 琴 李 茜 張智源 史文博 徐 寧吳 茜 胡 勇 柳志杰 汪 超 周夢舟*

（1 湖北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)發(fā)酵湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心 湖北省食品發(fā)酵工程技術(shù)研究中心 武漢430068 2 武漢市環(huán)境檢測中心 武漢430015 3 湖北省阿克瑞德檢驗(yàn)檢測有限公司 武漢430077）

隨著人們生活水平的日益提高， 簡單的溫飽已不能滿足絕大多數(shù)人的需求， 人們現(xiàn)在更關(guān)心食品的營養(yǎng)及安全問題。 由于食品安全關(guān)系人民群眾的身體健康、生命安全及社會穩(wěn)定，因此近年來都成為研究熱點(diǎn)。由于生物進(jìn)化的保守性，科學(xué)研究中常用模式生物來研究一些生命現(xiàn)象并得到一些信息和結(jié)論，從而類推到其它生物。常見的模式生物有果蠅、斑馬魚、小鼠等生物。然而，哺乳動物存在倫理性、試驗(yàn)周期過長和操作復(fù)雜等問題。因秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）具有培育時間短、理化性質(zhì)明顯、遺傳信息清楚、信號通路高度保守以及個體化差異小等優(yōu)勢， 而作為一種理想的模式生物被廣泛應(yīng)用在生命科學(xué)領(lǐng)域。在食品安全方面， 它可作為一種有效的手段去檢測食品中的有毒物質(zhì)。 線蟲在食品安全領(lǐng)域主要作用歸納為：（1）環(huán)境毒理學(xué)評價；（2）研究食品危害源的毒理機(jī)制；（3）研究抑制食品危害的物質(zhì)的保護(hù)機(jī)制以及對其的篩選。 隨著包括RNAi 在內(nèi)的全基因組篩選以及蛋白質(zhì)組學(xué)等高通量篩選技術(shù)的發(fā)展， 可利用秀麗隱桿線蟲進(jìn)行毒性影響下體內(nèi)生物活性分子篩選， 使得生物標(biāo)志物體系的建立成為可能[1-4]，相關(guān)技術(shù)還被應(yīng)用在建立保護(hù)線蟲抵抗病原菌的益生菌快速篩選模型等方面?，F(xiàn)對秀麗隱桿線蟲在食品安全領(lǐng)域中的應(yīng)用做如下綜述。

1 利用秀麗隱桿線蟲作為模式生物的優(yōu)勢

秀麗隱桿線蟲是一種在世界各地土壤中自由生長的小型線蟲， 是主要以細(xì)菌為食的一種假體腔動物。 有典型線蟲的基本結(jié)構(gòu)，有口、咽、腸、性腺還有肌肉和各種系統(tǒng)，如神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、排泄系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等。 線蟲的壽命為2～3 周，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度在20 ℃左右時，線蟲發(fā)育一代僅需3 d。 只需顯微鏡和鉑絲挑蟲器即可操作，用保存液和甘油混合放在-80 ℃冷凍保存，活化時將冷凍的線蟲倒在有食物的NGM 培養(yǎng)基上即可。操作簡便， 成本低以及試驗(yàn)周期短是秀麗隱桿線蟲作為模式生物的主要優(yōu)勢。

秀麗隱桿線蟲作為模式生物的另一大優(yōu)勢就是它的部分基因以及信號通路與人類的同源性高[5]。Sulston 繪制了世界上第一幅線蟲的細(xì)胞譜系圖，還發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞凋亡途徑， 并通過遺傳突變和基因克隆手段克隆了十幾個控制細(xì)胞凋亡的基因[6-8]。同期對人及哺乳動物細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)， 秀麗隱桿線蟲的細(xì)胞凋亡基因與人及哺乳動物的基因有高度的相似性， 所以線蟲和人的細(xì)胞凋亡的控制機(jī)制和免疫機(jī)制是高度保守的。 線蟲是第一個完成全基因測序的動物，在線蟲的20 000 多個基因之中，有40%的基因和人類基因具有同源性。同時秀麗隱桿線蟲還具有完備的發(fā)育和解剖學(xué)的特征以及復(fù)雜的遺傳學(xué)特征。 秀麗隱桿線蟲包含多種經(jīng)典的神經(jīng)遞質(zhì)如乙酰膽堿、 多巴胺、5-羥色胺、谷氨酸、γ-氨基丁酸和神經(jīng)肽等。這些神經(jīng)遞質(zhì)在神經(jīng)元中的合成、 儲存和代謝等過程都與哺乳動物具有高度相似性[9]。線蟲的大多數(shù)離子通道基因同樣也與哺乳動物具有同源性[10]。

在食品安全研究領(lǐng)域中， 往往涉及到線蟲的免疫調(diào)控相關(guān)的信號通路， 至少有3 個相對獨(dú)立的信號傳導(dǎo)調(diào)控路徑在線蟲的免疫調(diào)控和生長發(fā)育包括死亡中發(fā)揮重要作用[11-15]。線蟲的這種免疫機(jī)制從線蟲到哺乳動物再到人類都是高度保守的， 因?yàn)楦叩炔溉閯游锒际怯珊唵蔚亩嗉?xì)胞生物進(jìn)化而來， 同時在進(jìn)化過程中會增加新的附加作用，最后逐漸發(fā)育成完整的免疫系統(tǒng)[16]。 表1 列出了秀麗隱桿線蟲中與免疫調(diào)控相關(guān)的主要信號通路，并且大多數(shù)都在人體中有同源基因。

表1 秀麗隱桿線蟲中與人類同源的部分信號通路Table 1 Partial signaling pathways homologous to humans in C. elegans

1.1 DAF-2/DAF-16 信號途徑

DAF-2/DAF-16 信號途徑又稱胰島素信號通路。 胰島素信號是通過Forkhead 家族的轉(zhuǎn)錄因子DAF-16 蛋白發(fā)揮著核心調(diào)控功能[26]。DAF-2 作為胰島素受體同源物定位于細(xì)胞膜上， 它與胞外類似胰島素配體結(jié)合后，導(dǎo)致PI3K（磷脂酰肌醇激酶）催化亞基同源物AGE-1 活化，AGE-1 產(chǎn)生第二信使進(jìn)一步激活下游AKT/PKB 同源物絲氨酸/蘇氨酸激酶AKT-1、AKT-2， 磷酸化DAF-16，從而抑制DAF-16 入核發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)作用。對DAF-2 突變研究發(fā)現(xiàn)， 許多抗菌基因LYS、SPP-1 等表達(dá)上調(diào)[27]，不過對胰島素通路的下游基因的研究表明DAF-2 和AGE-1 的免疫調(diào)控可能參與了其它通路[20]。 研究表明，DAF-16 通路并不是線蟲免疫的關(guān)鍵通路，而是線蟲的免疫防御機(jī)制，是免疫和繁殖中的聯(lián)系通路。哺乳動物PI3K 的直源同系基因PDK-1 和胰島素/IGF-1 受體InR 這兩個基因在胰島素/IGF-1 信號傳導(dǎo)中起著關(guān)鍵作用，并且其它幾種途徑組分已經(jīng)顯示出可以調(diào)節(jié)果蠅、小鼠以及人的衰老， 這意味著該途徑對衰老的影響是保守的[28-29]。

1.2 MAPK 信號通路

MAPK（促分裂原活化蛋白激酶）包含有3 條信號傳導(dǎo)途徑：分別是P38MAPK（細(xì)胞因子抑制的抗炎藥物結(jié)合蛋白激酶）、ERK-MAPK （細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶）和JNK-MAPK（氨基末端激酶），這些途徑從酵母到哺乳動物均高度保守。 這3 條途徑分別對應(yīng)于秀麗隱桿線蟲的PMK-1、MPK-1[30]和KGB-1 信號途徑，他們控制著線蟲應(yīng)對外界刺激和壓力、 細(xì)胞增殖及凋亡等重要的生理活動[31-33]。

P38MAPK 通路為秀麗隱桿線蟲免疫應(yīng)答的關(guān)鍵組分，研究表明P38MAPK 通路是通過NSY-1→SEK-1→PMK-1 級聯(lián)反應(yīng)介導(dǎo)線蟲的免疫功能，其中PMK-1 在抗病原菌的免疫應(yīng)激中發(fā)揮重要作用[34]。 JNK 信號通路被認(rèn)為是線蟲應(yīng)對外界各種應(yīng)激誘導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵分子， 參與對溫度、氧氣和滲透壓等變化的非生物應(yīng)激作用。ERK同樣是MAPK 家族的一員， 它的信號途徑是涉及調(diào)節(jié)細(xì)胞生長、發(fā)育及分裂的信號網(wǎng)絡(luò)的核心，遵循MAPKs 的三級酶促級聯(lián)反應(yīng)，Ras 作為其上游激活蛋白，Raf 作 為MAPKKK，MAPK/ERK激酶（MEK）作為MAPKK，ERK 即MAPK，即Ras-Raf-MEK-ERK 途徑。 但是對上游蛋白及各種激酶的激活機(jī)制正在進(jìn)一步研究中。

研究表明這3 種MAPK 途徑之間可相互作用，例如Kim 等[35]發(fā)現(xiàn)JNK 中的MEK-1 的MAPK激酶（MAPKK）和VHP-1 蛋白激酶磷酸酶（MKP）對線蟲生物應(yīng)激也有影響，并且也能調(diào)節(jié)PMK-1基因。 JNK 和P38MAPK 通路都是通過調(diào)節(jié)TTM-1 和TMM-2 基因抵御毒素[36]。P38 和ERK 信號通路間的雙向信號能協(xié)同促進(jìn)組織的修復(fù)，JNK 信號通路和ERK 信號通路存在負(fù)的相互作用[37-38]。

1.3 TGF-β 信號通路

TGF-β（轉(zhuǎn)化生長因子）信號通路在成熟有機(jī)體和發(fā)育中的胚胎都參加了細(xì)胞生長、細(xì)胞分化、細(xì)胞凋亡和細(xì)胞動態(tài)平衡等其它細(xì)胞功能。 線蟲中TGF-β 的同源基因?yàn)镈BL-1。TGF-β 信號通路主要是由DBL-1 編碼的蛋白和AMA/DAF-4 受體復(fù)合物結(jié)合磷酸化后激活下游SAM 家族蛋白來調(diào)控的[39]。 TGF-β 家族的其它成員包括TIG-2、UNC-129、DAF-7， 其功能多與神經(jīng)和發(fā)育有關(guān)。線蟲中對TGF-β 的免疫調(diào)控研究有助于我們了解動物中的致病菌以及對致病菌的抵抗機(jī)制[40-42]。

2 食品中安全危害因素以及秀麗隱桿線蟲在相關(guān)研究中的應(yīng)用

2.1 食品中化學(xué)物質(zhì)危害因素

食品中化學(xué)危害包括食品包裝材料、重金屬、天然毒素和農(nóng)藥殘留等，廣泛存在于日常食品中，當(dāng)劑量超過一定值，就可能導(dǎo)致食品安全問題。食品中的化學(xué)危害一直以來都是研究熱點(diǎn)。

2.1.1 食品包裝材料 世界上廣泛使用的增塑劑鄰苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）與其替代物鄰苯二甲酸二乙酯（DEP）被應(yīng)用于玩具、食品包裝材料、醫(yī)用血袋和膠管、乙烯地板和壁紙、清潔劑、潤滑油以及個人護(hù)理用品（如指甲油、頭發(fā)噴霧劑、香皂和洗發(fā)液）等數(shù)百種產(chǎn)品中，有研究表明[43]，DEPH 對無脊椎動物有一定的急性毒性。Tseng 等[44]使用秀麗隱桿線蟲為體內(nèi)模型來評估鄰苯二甲酸酯誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性和可能的相關(guān)機(jī)制， 通過抗氧化劑壞血酸預(yù)處理顯著降低了DEHP 暴露線蟲的ROS 水平， 改善了運(yùn)動和熱敏行為缺陷，以及保護(hù)了神經(jīng)元的損傷，表明鄰苯二甲酸酯對線蟲的神經(jīng)毒性作用中氧化應(yīng)激起關(guān)鍵作用。 Pradhan 等[45]利用秀麗隱桿線蟲研究了DEHP 和DEP 毒性以及致毒機(jī)理。 基因表達(dá)分析顯示，在線蟲L1 至青年期階段期間DEHP 和DEP暴露改變了參與脂質(zhì)代謝和應(yīng)激反應(yīng)的基因表達(dá)情況。 與脂質(zhì)代謝有關(guān)的基因， 包括FASN-1，POD-2，F(xiàn)AT-5，ACS-6 和SBP-1 以及卵黃蛋白原上調(diào)， 應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)基因中，CED-1，WAH-1，DAF-21 和GST-4 上調(diào)，而CTL-1，CDF-2 和熱休克蛋白（HSP-16.1，HSP-16.48 和SIP-1）下調(diào)。 脂質(zhì)染色顯示在DEHP 暴露下， 線蟲的脂質(zhì)含量顯著增加，生殖能力和壽命下降。

自從雙酚A（BPA）被禁止應(yīng)用在所有食品包裝材料中[46]以來，與BPA 結(jié)構(gòu)高度相似的雙酚S作為替代品廣泛應(yīng)用于各種食品包裝材料中。 但是BPS 同樣也有一定的危害，CHEN 等[47]發(fā)現(xiàn)BPS 和BPA 能引起秀麗隱桿線蟲生殖系統(tǒng)損傷，增加生殖細(xì)胞的凋亡，導(dǎo)致胚胎死亡率上升，但是和BPA 的作用途徑不完全相同。低濃度的BPS 可能通過促進(jìn)ROS 的過度產(chǎn)生加速線蟲衰老，從而顯著縮短線蟲壽命， 因此得出結(jié)論雙酚S 并不能很好替代雙酚A。

2.1.2 重金屬 隨著工業(yè)科技的發(fā)展， 重金屬對食品安全的影響越來越大， 自然界中一般廣泛存在有一定濃度的重金屬。 但是隨著人類開采重金屬，隨意排放污水等活動，很多重金屬進(jìn)入了生態(tài)系統(tǒng)，經(jīng)過時間積累，以及食物鏈的富集，最終在生物體內(nèi)聚集，通過氧化作用，破壞生物體正常生理代謝活動，最后給人體健康造成巨大影響。Yang[48]發(fā)現(xiàn)0.4 μmol/L 以上的鎘暴露可顯著抑制細(xì)胞增殖，并具有劑量效應(yīng)。

在20 世紀(jì)九十年代，Williams 和Dusenbery[49]首次研究了Ag，Hg，Cu，Cd 和As 等可以導(dǎo)致哺乳動物致死的14 種金屬和非金屬鹽對線蟲的毒性作用，測定了24，48，72 和96 h 的半致死劑量。 自此以后很多研究開始使用線蟲作為模式生物進(jìn)行重金屬評估。 Boyd 等[50-51]通過對秀麗隱桿線蟲的研究表明Cd，Hg 和Pb 暴露均會導(dǎo)致秀麗隱桿線蟲數(shù)目顯著下降。 WANG 等[52]發(fā)現(xiàn)重金屬鎘通過促進(jìn)形成ROS（反應(yīng)性氧類物質(zhì)）和損害抗氧化系統(tǒng)、DNA 修復(fù)、RNA/蛋白質(zhì)合成、細(xì)胞的分化和增殖來對生物體造成嚴(yán)重的威脅。 為了研究秀麗隱桿線蟲在嚴(yán)重鎘脅迫下的信號傳導(dǎo)途徑， 通過對照RNA-Seq 野生型和pmk-1 突變體在Cd 脅迫條件下進(jìn)行的轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)PMK-1 促進(jìn)了鎘脅迫動物中轉(zhuǎn)錄因子SKN-1 / Nrf 和DAF-16 的靶基因的表達(dá)， 其中包括分子伴侶蛋白或免疫蛋白的基因。

砷中毒所涉及的機(jī)制尚不明確， 研究認(rèn)為砷可以改變多條細(xì)胞通路包括改變生長因子， 抑制細(xì)胞周期檢查點(diǎn)蛋白和DNA 修復(fù)， 影響DNA 甲基化，削弱免疫監(jiān)視，破壞氧化劑的平衡，增加氧化應(yīng)激等[53]。

Anthony 等[54]通過秀麗隱桿線蟲發(fā)現(xiàn)三價砷和亞砷酸鹽可以誘導(dǎo)線粒體活性氧的產(chǎn)生， 抑制參與能量代謝的酶，并在體外誘導(dǎo)有氧糖酵解，提示砷可能通過影響代謝功能來誘導(dǎo)疾病的產(chǎn)生。此外， 亞砷酸鹽暴露還會引起嚴(yán)重的線粒體功能障礙。 游牧[53]以秀麗隱桿線蟲為模式生物，建立了基于秀麗隱桿線蟲的抗砷脅迫模型。 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熱激處理可以顯著提升線蟲對砷的耐受度， 其機(jī)理是熱激處理激活了胰島素先天的免疫調(diào)節(jié)功能，與胰島素途徑關(guān)鍵位點(diǎn)HSF-1 和DAF-16 有關(guān)，熱激處理促進(jìn)DAF-16 核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的時間和比率，提高抗脅迫能力，并且具有顯著的時間效應(yīng)。通過對HSF-1 和DAF-16 基 因下游HSP-4、HSP-6、HSP-16.2、HSP-60 和HSP-70 5 種熱休克蛋白的表達(dá)情況分析， 發(fā)現(xiàn)線蟲對砷暴露抗性涉及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體的蛋白質(zhì)折疊過程， 并可能與機(jī)體的氧化應(yīng)激途徑有關(guān)。 游牧[53]還利用秀麗隱桿線蟲多種突變品系， 發(fā)現(xiàn)辣椒素通過胰島素途徑對砷脅迫造成的氧化應(yīng)激損傷具有保護(hù)作用， 具體分子通路可能為： 辣椒素抑制胰島素信號， 活化DAF-16/FOXO 和SKN-1， 兩者獨(dú)立平行發(fā)揮作用，共同提高抗氧化酶如GST-4、SOD-3 和GCS-1 的表達(dá)，提高線蟲氧化還原能力。 通過對線蟲這種模式生物的運(yùn)用，建立了抗砷脅迫模型，探討了胰島素途徑先天免疫調(diào)控功能對砷毒害的保護(hù)作用和分子機(jī)制。

研究者發(fā)現(xiàn)線蟲的JNK 和P38 MAPK 信號通路都參與了對重金屬毒素的抵御， 任何一條通路中的關(guān)鍵基因PMK-1、KGB-1 敲除都會使線蟲對毒素極其敏感， 并且這兩條通路都是通過調(diào)節(jié)TTM-1 和TTM-2 基因抵御重金屬毒素。研究表明秀麗隱桿線蟲MEK-1 基因在抗重金屬方面發(fā)揮重要作用，MEK-1 信號途徑MLK-1/MEK-1/KGB-1 介導(dǎo)對重金屬銅、鎘的抗性作用，在重金屬的刺激下，KGB 表達(dá)上調(diào)[55]。同時SEK-1、MEK-1 對PMK-1 和KGB-1 的激活作用與VHP-1 對它們的抑制作用在細(xì)胞內(nèi)達(dá)到平衡， 協(xié)調(diào)生物體內(nèi)的穩(wěn)定性[56]。

2.1.3 自然毒素 自然界中存在許多以食品的天然組分形式存在的自然毒素，由于毒性巨大，且與食品容易混淆，因此對人體的健康威脅巨大。自然毒素主要分為：有毒蛋白質(zhì)類、有毒氨基酸類、生物堿類、蘑菇毒素、木藜蘆烷毒素、毒甙和酚類衍生化物。

蓖麻毒素是一種核糖體失活蛋白（RIP），由能夠每分鐘失活1 500 個核糖體的異二聚體多肽組成，可中斷蛋白質(zhì)合成并導(dǎo)致細(xì)胞死亡。傳統(tǒng)的蓖麻蛋白檢測方法使用基于抗體的免疫測定和酶連接免疫吸附測定， 但是這些方法需要使用產(chǎn)生更多抗體的高等動物，但是這些動物一般都受保護(hù)，而且存在倫理問題。 Demant 等[57]利用秀麗隱桿線蟲研究出一種可以量化蓖麻毒素的最佳生物測定方法，并選擇出最佳測定毒素的線蟲品系。

青顫毒素（Penitrem A， PA）是由幾種陸地和少量海洋青霉菌物種產(chǎn)生的鹵化吲哚生物堿毒素， 發(fā)現(xiàn)可以防止PA 毒性效應(yīng)的天然產(chǎn)物對食品安全至關(guān)重要。 Goda 等[58]利用秀麗隱桿線蟲和大鼠模型同時評估AST（蝦青素）和DHA（二十二碳六烯酸）對PA 誘導(dǎo)的毒性的體外保護(hù)活性。 最后發(fā)現(xiàn)DHA 和AST 處理有效抵消了PA 的毒性作用并使大多數(shù)生化參數(shù)（谷氨酸、天冬氨酸、血清中多巴胺、血清素和腎上腺素）正?；?。 并表示DHA 和AST 主要是通過抵消PA 誘導(dǎo)的BK 通道拮抗活性來抑制PA 對線蟲的毒性，說明DHA 和AST 可以作為有用的食品添加劑來預(yù)防和減少PA 食品引起的毒性。

上述食品中化學(xué)危害因子涉及到的與線蟲免疫防御相關(guān)的信號通路如圖1 所示， 當(dāng)食品的化學(xué)危害因子如食品包裝材料中的有害物質(zhì)以及重金屬對秀麗隱桿線蟲產(chǎn)生刺激時， 影響線蟲中脂質(zhì)代謝和應(yīng)激反應(yīng)的基因的表達(dá)，產(chǎn)生活性氧，降低了線蟲的生殖能力以及壽命。 線蟲中的JNK 通路和P38MAPK 通路都是通過調(diào)節(jié)TTM-1 和TTM-2 基因抵御毒素。KGB-1 為抗金屬的關(guān)鍵基因， 同時SEK-1、MEK-1 對PMK-1 和KGB-1 的激活作用與VHP-1 對它們的抑制作用在細(xì)胞內(nèi)達(dá)到平衡。而辣椒素可通過抑制胰島素信號，活化DAF-16/FOXO 和SKN-1， 兩者獨(dú)立平行發(fā)揮作用， 共同提高抗氧化酶如GST-4、SOD-3、GCS-1的表達(dá)， 提高線蟲氧化還原能力來抵抗重金屬對線蟲的影響。

圖1 秀麗隱桿線蟲中與食品化學(xué)危害因子相關(guān)的部分免疫防御信號通路示意圖Fig.1 Schematic diagram of some of the immune defense signaling pathways associated with chemical hazards in foods of Caenorhabditis elegans

2.2 食品中微生物

食品中的微生物危害包括細(xì)菌、病毒、寄生蟲和真菌等方面的危害。 食品中的微生物危害涉及范圍廣，食品在加工、運(yùn)輸、貯藏和銷售等過程中都可能被微生物及其毒素污染， 導(dǎo)致食品衛(wèi)生質(zhì)量下降，對人體健康產(chǎn)生危害。在研究食品微生物危害方面利用秀麗隱桿線蟲作為模式生物的研究中，主要與真菌及致病性細(xì)菌有關(guān)。

2.2.1 真菌 真菌毒素是一類由真菌產(chǎn)生的有毒次級代謝產(chǎn)物， 通過污染食品進(jìn)入人類和動物體內(nèi)引發(fā)癌癥以及不孕等癥狀。因其分布廣泛，難以避免，故對人類的健康有很大的影響。真菌主要的共同毒性歸結(jié)為細(xì)胞毒性和致DNA 損傷，而不同真菌又有其各自特點(diǎn)。 真菌毒素的毒理機(jī)制主要分為類雌性激素效應(yīng)、氧化損傷、染色體畸變和誘發(fā)細(xì)胞凋亡。

黃曲霉毒素是由黃曲霉和曲霉菌產(chǎn)生的一種真菌毒素， 天然存在于各種動物飼料和人類食物中，特別是在谷物、堅(jiān)果和飼料中易被發(fā)現(xiàn)[59]。 黃曲霉毒素B1（AFB1）是已知的真菌毒素中毒性最強(qiáng)和致癌性最強(qiáng)的物質(zhì)。Leung 等[60]利用秀麗隱桿線蟲研究黃曲霉毒素B1 對細(xì)胞色素酶P450 系列（CYP）的影響， 發(fā)現(xiàn)其會導(dǎo)致DNA 突變細(xì)胞衰亡。 這是公開報道秀麗隱桿線蟲可用于真菌毒素毒性研究的第一篇文章， 自此之后秀麗隱桿線蟲被廣泛地應(yīng)用于真菌毒素研究中。研究表明AFB1主要通過其代謝物和DNA 形成加合物阻斷DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致DNA 的損傷。除了致癌作用，AFBI 還會在人和哺乳動物中產(chǎn)生其它嚴(yán)重的毒性作用，比如生長延緩，免疫控制以及生殖功能障礙。 Eduardo 等[61]使用秀麗隱桿線蟲作為體內(nèi)模型，著重研究AFB1 對生長和繁殖以及DNA 損傷和生殖細(xì)胞凋亡的毒性作用。結(jié)果表明，將秀麗隱桿線蟲暴露于AFB1 會引起濃度依賴性生長和繁殖抑制，核DNA 損傷和生殖細(xì)胞凋亡這些毒性效應(yīng)之間存在著潛在的相互關(guān)系，而且DNA 損傷為中心樞紐， 通過關(guān)鍵信號通路導(dǎo)致生長抑制和生殖細(xì)胞凋亡，后者進(jìn)一步抑制生殖。

脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（DON）是由某些感染禾谷類作物的鐮孢屬物種產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物。DON 能引起拒食、嘔吐、胃腸道病變、免疫抑制和家畜缺乏肌肉協(xié)調(diào)等癥狀， 又稱嘔吐毒素。 DON降低了作物產(chǎn)量以及影響了牲畜和人類健康。Gowrinathan 等[62]研究表明DON 可以抑制秀麗隱桿線蟲野生型N2 和突變體品系A(chǔ)U1 后代數(shù)目，而且抑制作用與DON 暴露濃度有明顯劑量依賴關(guān)系，染毒濃度越大，后代數(shù)目越少。 而且這種情況還存在于鐮刀菌類真菌毒素中， 因此推測鐮刀菌類真菌毒素對線蟲存在生殖毒性。

Yang 等[63]選取秀麗隱桿線蟲為模式生物，探索真菌毒素對秀麗隱桿線蟲的毒性效應(yīng)， 深入研究了以玉米赤霉烯酮（ZEN）為代表的真菌毒素的毒性效應(yīng)與線蟲代謝的相關(guān)性， 并分析其毒理機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)真菌毒素會抑制線蟲的體型、壽命和后代數(shù)， 導(dǎo)致線蟲性腺臂和產(chǎn)卵器缺陷以及行為能力缺陷。 微陣列結(jié)果顯示過半基因受ZEN 調(diào)控表達(dá)有異常， 其中DAY-17、COL-121、HCH-7、NLP-9 顯著差異表達(dá)， 分別與線蟲表皮膠原蛋白合成、生殖細(xì)胞生產(chǎn)和免疫應(yīng)激功能相關(guān)。ZEN 使DPY-31、DAF-2、DAF-16 標(biāo)記基因在熒光線蟲品系中強(qiáng)烈表達(dá)，顯示了ZEN 對表皮膠原蛋白的下調(diào)作用和DAF-2insulin-like 信號通路的上調(diào)作用。 推斷ZEN 的致死性、發(fā)育毒性、生殖毒性、神經(jīng)毒性與線蟲表皮膠原蛋白合成信號通路以及DAF-2insulin-like 信號通路相關(guān)。 該研究構(gòu)建了一種有效評價真菌毒素毒性效應(yīng)的秀麗隱桿線蟲模型， 可快速篩選毒性評價指標(biāo)并在分子水平分析基因表達(dá)與毒性效應(yīng)相關(guān)性，闡明了毒理機(jī)制。

2.2.2 致病性細(xì)菌 食品致病菌是指可以引起食物中毒，或者以食品為傳播媒介的致病性細(xì)菌，是食品安全問題的重要源頭。 常見的食品致病菌有痢疾桿菌、鼠疫桿菌、致病性大腸桿菌、沙門氏菌、霍亂弧菌和豬丹毒桿菌等，對人類的健康有很大影響。

產(chǎn)腸毒性大腸桿菌（ETEC）是一類引起人和幼畜腹瀉的主要病原菌。 Zhou[64]使用秀麗隱桿線蟲建立了ETEC 致死線蟲模型和保護(hù)線蟲抵抗ETECCJG280 的乳酸菌快速篩選模型， 并挑出保護(hù)效果最好的一株玉米乳桿菌來研究益生菌保護(hù)線蟲的機(jī)理。 發(fā)現(xiàn)LB1 對線蟲的保護(hù)作用與抑制ETECJG280 腸毒素有關(guān)，并且發(fā)現(xiàn)活的LB1 能顯著提高M(jìn)APK 和DAF-16 信號通路中關(guān)鍵基因及抗菌肽基因的表達(dá)水平，抑制腸毒素基因的表達(dá)，顯著減少腸毒素克隆的致死作用。

Bolz 等[65]對感染鼠疫桿菌的秀麗隱桿線蟲進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn) PMK-1/P38MAPK 通路在宿主的先天免疫應(yīng)答中發(fā)揮重要的作用。 腸道沙門氏菌感染秀麗隱桿線蟲導(dǎo)致性腺細(xì)胞的程序性死亡，推斷是菌體表面的LPS（lipopolysaccharide）和PMK-1 共同作用的結(jié)果。 RNAi 實(shí)驗(yàn)顯示PMK-1 信號途徑位于CED-9 上游[66]。 通過感染綠膿桿菌的秀麗隱桿線蟲篩選出對病原菌敏感性增強(qiáng)（enhanced suscepttbility to pathogen，ESP）表型的突變株， 分析發(fā)現(xiàn)對應(yīng)MAPK 途徑中的SEK-1 和NSY-1 的基因ESP-2 和ESP-8 介導(dǎo)了秀麗隱桿線蟲對病原菌的抗性作用[34]。 在銅綠假單胞菌感染線蟲過程中，TPA-1 和DKF-2 （蛋白激酶D）激活PMK-1，誘導(dǎo)宿主防御基因的表達(dá)[67]。銅綠假單胞菌感染導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)中的胰島素樣肽（INS-7）的產(chǎn)生，可激活DAF-2 并下調(diào)腸中DAF-16 的活性[68-69]，胰島素受體DAF-2 通過激酶級聯(lián)抑制下游轉(zhuǎn)錄因子DAF-16， 該激酶級聯(lián)包括磷酸肌醇3-激酶（AGE-1），磷酸肌醇依賴性激酶（PDK-1，AKT-1，AKT-2）和血清/糖皮質(zhì)激素調(diào)節(jié)激酶1（SGK-1）[70]。 DAF-2 或AGE-1 中的突變體在喂食革蘭氏陽性菌后，激活了DAF-16，延長了線蟲的壽命，增強(qiáng)了線蟲對死亡的抗性[71]。 糞腸球菌[72-73]通過產(chǎn)生活性氧簇介導(dǎo)對線蟲的致死作用， 秀麗隱桿線蟲通過DAF-2/DAF-16 信號途徑與熱休克因子HSF-1 之間的相互作用，調(diào)節(jié)CLT-1（過氧化氫酶）、CLT-2 和SOD-3（超氧化物歧化酶）等抗氧化基因的表達(dá)， 通過表達(dá)的這些酶分解活性氧簇[74-76]。

當(dāng)粘質(zhì)沙雷氏菌（Serratia marcescens）感染線蟲時，溶菌酶基因（LYS-1、LYS-7 和LYS-8）以及凝集素基因表達(dá)均上調(diào)，且LYS-8 受DBL-1 正調(diào)控[77]。 Mallo 和Ewbank[78-79]的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)突變株dbl-1（DBL-1 基因被敲除）被銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和粘質(zhì)沙雷氏菌感染時，和野生型相比壽命明顯減少。 Thomsen 等[80]利用秀麗隱桿線蟲建立了李斯特菌的毒理分析模型。

秀麗隱桿線蟲對致病菌的防御主要涉及前文提到過的線蟲免疫相關(guān)的3 條信號通路以及一些抗菌肽基因， 而且各種信號通路之間有一定的相互作用，共同維持細(xì)胞內(nèi)的平衡。 例如PMK-1 和DAF-16 都參與對病原菌的抵抗作用，PMK-1 的過量表達(dá)能增加DAF-2 突變引起的病原菌抗性作用[81]。另外，MAPK 和TGF-β 途徑都參與抗綠膿桿菌的抗性作用[82]。 說明不同的信號途徑間在抗致病菌方面可能通過相互作用， 整體上協(xié)調(diào)細(xì)胞免疫防御機(jī)制。

線蟲的免疫系統(tǒng)以及抗微生物相關(guān)信號通路的信號通路圖如下[83-84]：

圖2 線蟲的免疫系統(tǒng)以及抗微生物因子相關(guān)信號通路示意圖Fig.2 Schematic representation of nematode immune system and antimicrobial signaling pathways

如圖， 秀麗隱桿線蟲自身的免疫防御機(jī)制主要如下：食品中微生物危害因子刺激下，TGF-β 通路的DBL-1 基因編碼的蛋白與SMA/DAF-4 受體復(fù)合物結(jié)合磷酸化后激活下游SAM 家族蛋白，使得溶菌酶基因和凝集素基因均上調(diào)； 胰島素信號通路上游神經(jīng)樣肽INS-7 激活DAF-2，抑制下游DAF-16 入核來發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用，上調(diào)了抗菌基因LYS、SPP-1 的表達(dá)并且和HSF-1 相互作用，調(diào)節(jié)抗氧化基因， 使其表達(dá)的蛋白分解活性氧簇。P38MAPK 通路主要是通過PMK-1 基因調(diào)控下游基因編碼的神經(jīng)樣肽、 抗菌肽以及自噬基因的表達(dá)。 同時MAPK 中的JNK-1 信號途徑中MEK-1對PMK-1 也有調(diào)控作用。

3 總結(jié)和展望

秀麗隱桿線蟲因其具有結(jié)構(gòu)簡單、周身透明、生命周期短、 個體特異性小以及遺傳模式保守等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在食品安全研究中，建立了許多線蟲致死模型、線蟲篩選模型和線蟲抵抗模型。 研究了各種外界危害因子對線蟲的毒性機(jī)理， 線蟲自身的免疫防御的調(diào)控機(jī)制以及對有害物質(zhì)起抑制作用的物質(zhì)對線蟲的保護(hù)作用機(jī)理， 充分說明了線蟲作為模式生物在這個領(lǐng)域的重要性。不過，盡管線蟲與人類基因具有高度保守性， 但是線蟲和人類在生理以及病理方面差異較大，線蟲不具備完整的循環(huán)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)和獲得性免疫系統(tǒng)， 所以它不完全能代替其它哺乳動物進(jìn)行研究。由于線蟲存活溫度的限制，所以縮小了可研究的病原菌范圍。此外，線蟲強(qiáng)大的解毒系統(tǒng)，限制了一些調(diào)節(jié)宿主防御的化合物的發(fā)現(xiàn)。秀麗隱桿線蟲模型在某些篩選模型中， 還需要后續(xù)的臨床試驗(yàn)[85]。 同時我們應(yīng)當(dāng)正確認(rèn)識秀麗隱桿線蟲在食品安全研究中的優(yōu)勢和不足， 進(jìn)行周密的試驗(yàn)方案設(shè)計， 才能充分發(fā)揮線蟲模型的真正價值， 使秀麗隱桿線蟲在更多領(lǐng)域發(fā)揮其不可或缺的作用。

秀麗隱桿線蟲今后在食品領(lǐng)域的應(yīng)用方向，可以借鑒保護(hù)線蟲抵抗ETEC JG280 的乳酸菌快速篩選模型，利用線蟲模型的快速篩選性，進(jìn)行體內(nèi)生物活性分子篩選， 也可以從食品中篩選出對人體有潛在危害的物質(zhì)。 秀麗隱桿線蟲這種模式生物的各種優(yōu)勢，在21 世紀(jì)，可能與生物信息學(xué)相結(jié)合，發(fā)揮更重要的作用。