禽類干擾素研究進展

楊俊青,劉西培,劉文青,趙寶華

(河北師范大學生命科學學院,河北石家莊,050016)

1 干擾素

干擾素(Interferon,IFN)是指在特定誘導劑作用下,由細胞產(chǎn)生的一組具有高度生物學活性的糖蛋白。最先是由英國病毒學家Isaacs和瑞士研究人員 Linden-mann于 1957年在利用雞胚絨毛尿囊膜研究流感病毒的干擾現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)的[1]。1963年 Lampson等純化了這種因子,并證明該因子是一種蛋白質,其分子量為 20～34 ku[2]。對干擾素基因序列研究結果表明,該序列早在 5億～10億年前就存在于生命細胞的基因序列中,是生物體內一種古老的保護因子。

近半個世紀,干擾素一直是病毒學、細胞學、分子生物學、臨床醫(yī)學、免疫學、腫瘤學等相關領域的研究熱點,但主要是針對人類及哺乳動物干擾素作用機理及臨床實驗的研究。與人類和哺乳動物相比,禽類干擾素的研究相對落后,尤其是在分子生物學方面的研究。由于禽類干擾素具有廣譜抗病毒、抗腫瘤活性及免疫調節(jié)作用,對禽類疾病的防控有良好作用,近年來得到了研究人員的重視,目前其基因結構、作用機理、體外重組表達及其在細胞免疫中的功能等方面的研究都取得了很大進展。研究表明,重組干擾素與天然干擾素具有同樣的抗病毒和免疫調節(jié)活性[3],因此重組干擾素的研究和應用將成為禽類病毒性疾病防治的重要方向。

2 禽類干擾素

20世紀 80年代,人們按照 IFN與其受體結合不同的原則,將干擾素分為Ⅰ型與Ⅱ型,而Ⅰ型干擾素又按其與抗體的結合的抗原性不同分為二類,即 IFN-α和 IFN-β兩大類,Ⅱ型干擾素命名為 IFN-γ。后來,人們不只發(fā)現(xiàn) IFN-α存在亞型以及亞亞型,并且還發(fā)現(xiàn)了牛、羊懷孕時滋養(yǎng)層細胞分泌的與胚胎植入發(fā)育和母體識別有關的 IFN-τ[4],豬懷孕時滋養(yǎng)層細胞分泌的 IFN-δ[5],與 IFN-α同源性極高的IFN-ω,人白細胞分泌的天然 IFN-ε,角質層細胞分泌的 IFN-κ等也屬于Ⅰ型 IFN。

2003年有兩個實驗室同時在 Nature Immunology發(fā)表兩篇文章,他們發(fā)現(xiàn) IFN-λ1,λ2,λ3或 IL-28A,IL-28B或 IL-29都有干擾素活性,但它結合的受體與Ⅰ型干擾素受體不同[6]。

劉新恒指出,應該將干擾素分為 TypeⅠ,TypeⅡ,TypeⅢ等 3大類型干擾素。其中 TypeⅠ目前分為α,β,κ,ω,ε等數(shù)種。IFN-β,κ,ω,ε等的抗原性均與 IFN-α不同,且本身只有 1種,沒有亞型或亞亞型,而 IFN-α則有 13種以上亞型,如 IFNα-1,2,3,……,還有亞亞型,如 IFNα-1a,1b,1c,1d及 IFNα-2a,2b,2c,……。TypeⅡ干擾素則只有 1種,即原來的 IFN-γ。TypeⅢ至今為止有 3種亞型,IFN-λ1,IFN-λ2,IFN-λ3即原來的 IL-28A,IL-28B和 IL-29[6]。研究表明,雞及其他禽類的 IFN系統(tǒng)與哺乳動物 IFN系統(tǒng)相類似。1995年,Lowenthal等[7]從有絲分裂原刺激的雞脾淋巴細胞中得到了對熱和 pH2敏感的 IFN,它能激活巨噬細胞產(chǎn)生 NO,這與哺乳動物 IFN-γ相似,從而證明在雞體內同樣存在 IFN-γ。1996年,Sick等 進行了 λ噬菌體基因文庫雜交分析,發(fā)現(xiàn)在雞體內存在兩種血清型的Ⅰ型 IFN,進一步確證為IFN-α和 IFN-β。到目前為止,雞體內還沒有發(fā)現(xiàn)其他的Ⅰ型 IFN。后來根據(jù)雞 IFN-γ設計多個引物,得到了 4種 Galliforms(日本鶴鶉、火雞、珠雞和雉)的 IFN-γ基因的全序列[9]。 2008年,Karpala等[10]對IL-28B的基因進行了克隆表達及純化,這表明禽類體內存在 TypeⅠ,TypeⅡ,TypeⅢ等 3大類型干擾素。目前,在禽類中尚未發(fā)現(xiàn) IFN-ω和 IFN-τ等。

3 禽類干擾素的生物學活性

禽類干擾素與哺乳動物干擾素的生物學活性也相類似,呈現(xiàn)多樣性,以網(wǎng)絡的形式參與多種生理活動,是一種重要的細胞因子,而且在作用機理和臨床應用上的多種生物學活性之間是相互聯(lián)系、相互交叉的。

3.1 抗病毒作用

IFN并不直接作用于病毒,而是通過誘導正常細胞產(chǎn)生抗病毒蛋白(Antiviral protein,AVP)間接地達到抗病毒的效果,是非特異的,但具有種屬特異性。家禽 IFN-Ⅰ,Ⅱ型均具有廣譜抗病毒作用,Ⅰ型IFN的抗病毒作用最強。首先,IFN與周圍細胞膜上的受體結合,起著第一信使的作用,活化細胞膜腺甘酸環(huán)化酶,促使 cAMP形成;然后 cAMP作為第二信使,激活細胞內抗病毒作用機制,產(chǎn)生 AVP。AVP主要有 3種:蛋白激酶、磷酸二酯酶和 2-5A合成酶。前 2種能破壞細胞核糖體轉譯病毒蛋白質,后一種酶能降解 mRNA,有的能抑制轉錄酶,阻止 mRNA的形成,還有的能抑制病毒 DNA和 RNA的合成。因此,可以說 IFN是通過 AVP間接地抑制病毒復制而達到抗病毒作用的。禽類 IFN與這 3種酶究竟是如何相互作用,有待進一步的探索[11]。

3.2 抗腫瘤作用

IFN-Ⅰ,Ⅱ型都具有抗腫瘤作用,但Ⅱ型效果更為顯著。干擾素抗腫瘤機制有以下幾種方式:①有些腫瘤的發(fā)生與病毒有關,IFN通過抑制了病毒的增殖而抑制腫瘤的發(fā)生與成長;②IFN作用于細胞膜,刺激腺苷酸環(huán)化酶,使 cAMP增加,抑制了 DNA的合成及細胞分裂;③IFN能改變腫瘤細胞表面的性能,誘發(fā)新的抗原,從而易被免疫監(jiān)視細胞識別并加以排斥;④通過免疫調節(jié),增強機體抗腫瘤能力,主要是增強巨噬細胞、NK細胞和細胞毒性 T淋巴細胞(CTL)的殺傷性。1999年,Plachy等[12]進行了雞重組 IFN防治 RSV腫瘤的研究,結果表明,高劑量的重組 INF不僅可以抑制腫瘤,還可以使一些雞的RSV肉瘤完全消失。臨床上可用于治療雞馬立克氏疾病、雞白血病、網(wǎng)狀內皮組織增殖病、火雞淋巴細胞增殖病等。

3.3 抗寄生蟲作用

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),在宿主對寄生蟲感染的免疫應答過程中,干擾素發(fā)揮著重要的免疫調節(jié)作用。其作用主要通過 3種途徑:①通過激活巨噬細胞,增強呼吸頻率,釋放氧自由基,通過氧自由基攻擊脂質膜,使寄生蟲體被破壞,從而達到殺蟲目的。Mellors J.W.[13]通過對小鼠的研究發(fā)現(xiàn)這種效應有組織特異性。②通過 L-精氨酸途徑發(fā)揮作用,由活化的巨噬細胞產(chǎn)生的 NO,從而抑制靶細胞的 DNA合成和線粒體的呼吸作用,導致靶細胞代謝功能障礙。③干擾素可以誘導成纖維細胞和巨噬細胞合成產(chǎn)生吲哚胺-2,3-雙氧酶,使色氨酸大量分解,導致蟲體色氨酸缺乏,從而抑制蟲體在宿主體內的繁殖。禽類干擾素在抗寄生蟲的作用方面,不同類型干擾素作用的途徑是不相同的,Ⅰ型干擾素主要是通過第 3種途徑而發(fā)生作用,其中 IFN-β抗弓形體的機制則更為復雜;Ⅱ型干擾素主要是通過以上 3種途徑發(fā)揮作用。雞INF-γ可激活感染艾美耳球蟲的動物的巨噬細胞,活化 MHCⅡ類分子,提高淋巴細胞水平,減少卵囊排出量,從而提高雞體重及對球蟲感染的抵抗力[14]。

3.4 免疫調節(jié)作用

IFN可增加 IgG的 Fc受體表達,從而有利于巨噬細胞對抗原的吞噬,K細胞、NK細胞對靶細胞的殺傷,以及 T,B淋巴細胞的激活,增強機體免疫應答能力[15]。Ⅰ型 IFN可增加 MHCⅠ類分子的表達,從而增強細胞毒性 T細胞對這類靶細胞的殺傷效應,同時增加 NK細胞裂解潛能,使機體有效地發(fā)揮抗病毒感染和抗腫瘤免疫。禽類 IFN-γ可增加細胞表面 MHCⅡ類分子的表達,調節(jié)巨噬細胞、T細胞、B細胞之間的關系,增強免疫應答能力[16,17]。

3.5 免疫佐劑作用

細胞因子作為佐劑始于 20世紀 80年代初。許多實驗證明,禽類 IFN具有較強的佐劑活性并且對降低副作用也有一定功效。早在 1991年,A.W.Heath等[18]就發(fā)現(xiàn),重組 IFN-γ與疫苗混合免疫可以明顯提高疫苗對供試小鼠的免疫保護效果,而單純使用 IFN-γ對病原菌無效。目前,IFN-γ已成為一種常規(guī)選用的免疫佐劑。研究還發(fā)現(xiàn),IFN必須與抗原置于同一位置才能發(fā)揮效應。徐守振等[19]將雞柔嫩艾美耳球蟲 3-1E抗原基因與雞 IFN-γ基因進行融合,構建真核雙價融合表達質粒,對肉雞進行免疫,具有增強免疫保護作用,可顯著降低糞便中的卵囊排出量。

4 禽類干擾素應用前景

隨著近年來全球畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展,我國養(yǎng)禽類已由農村家庭副業(yè)發(fā)展成了社會一大產(chǎn)業(yè),無論是禽類的品種還是數(shù)量都位于世界前列。然而,養(yǎng)禽業(yè)還存在很多問題,禽流感、傳染性法氏囊病、傳染性支氣管炎、馬立克氏病、新城疫等疾病,每年都會在不同的季節(jié)暴發(fā),造成巨大的經(jīng)濟損失。目前禽類傳染性疾病的防治主要采用疫苗免疫和藥物治療,由于疫苗免疫的血清型單一,而病毒的血清型復雜,毒株變異快,常導致疫苗免疫失敗。一些病毒病目前常無疫苗可用,有些病毒也可能直接危害到人類的健康。藥物治療主要采用抗生素進行治療,但是近年來由于抗生素的廣泛和大量使用,導致一些抗藥型細菌的產(chǎn)生,并通過食物鏈傳染給人,給人類健康帶來更大的威脅?，F(xiàn)在一些國家己明令禁止一些抗生素和抗菌劑在養(yǎng)殖業(yè)中的應用。因此,人們迫切需要開發(fā)一種新的方法來控制畜禽疾病。

干擾素作為一種細胞因子,已在國內外確證是機體抗病毒感染防御反應中出現(xiàn)最早且對大多數(shù)病毒均有作用的廣譜抗病毒藥物。禽干擾素除了具有抗病毒、抗腫瘤活性外,更重要的是它具有諸多很重要的免疫調節(jié)活性,既可以和多種基因工程疫苗聯(lián)用,增強改善其免疫效果,也可以單獨作為生物制劑使用應用于疾病的防治,在醫(yī)學已被廣泛應用于病毒病和腫瘤性疾病的治療。近年來,利用基因工程技術生產(chǎn)出重組禽類干擾素,開展禽病毒性疾病和腫瘤性疾病的防治越來越受到人們的重視。

雖然干擾素產(chǎn)品已應用于預防與治療家禽的多種疾病,如在禽流感、新城疫等病毒感染病的防治中具有較好的效果,但是在干擾素研究中,還有一些理論與實踐方面的問題有待進一步研究:(1)需要進一步研究 IFN受體基因及其分子生物學結構;(2)需要深入研究干擾素與干擾素受體之間的相互作用以及受體在信號傳導中的作用;(3)需要進一步研究不同來源干擾素的親和性及其生物學功能;(4)需要探索更有效的基因表達系統(tǒng),以提高干擾素基因的表達水平,降低其生產(chǎn)成本;(5)需進一步改進干擾素的純化和檢測技術;(6)干擾素與干擾素受體在臨床上還有多大的開發(fā)空間。這些問題均有待進一步深入的研究和探討。

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(責任編輯:朱寶昌)