甲殼動物免疫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系模型

王孟孟,王慧欣,郭林豪,馬寨璞,管越強(qiáng)

(河北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071002)

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甲殼動物免疫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系模型

王孟孟,王慧欣,郭林豪,馬寨璞,管越強(qiáng)

(河北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071002)

對甲殼動物免疫反應(yīng)各過程進(jìn)行了歸納、總結(jié),繪出了各免疫分支途徑圖.統(tǒng)計了多種免疫刺激劑對整個免疫系統(tǒng)路徑的影響作用.最后,合并各分支途徑,構(gòu)建了甲殼動物免疫防御的整體系統(tǒng)圖.該圖中各免疫刺激劑對其免疫反應(yīng)的作用和影響更加具體、簡明,為研究免疫刺激的路徑機(jī)制和系統(tǒng)評價機(jī)體免疫水平提供形象直觀的依據(jù).

甲殼動物；免疫系統(tǒng)；免疫刺激劑

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展,對如何提高甲殼動物免疫能力,以應(yīng)對更加復(fù)雜的生存環(huán)境提出了新要求.目前，在甲殼動物免疫應(yīng)答能力的研究中,多數(shù)學(xué)者針對部分免疫因子及部分免疫途徑進(jìn)行了研究,如Deng等[1]研究了多糖類物質(zhì)對于凡納濱對蝦生長、免疫和抗氧化能力的影響，但部分免疫指標(biāo)的顯著變化,并不意味著機(jī)體的免疫狀態(tài)或?qū)Σ『Φ挚沽τ休^大改變.免疫防病的本質(zhì),不體現(xiàn)在單個免疫指標(biāo)水平的變化上,而是要提高整個機(jī)體的免疫靈敏性和平衡性.甲殼動物免疫系統(tǒng)中,各免疫因子以及各免疫途徑之間的相互影響異常復(fù)雜,涉及到多層次、多因子的參與.隨著研究的深入,新文獻(xiàn)層出不窮,為甲殼動物的免疫系統(tǒng)研究提供了更多的依據(jù).本文通過查閱國內(nèi)外最新的文獻(xiàn),重新梳理了甲殼動物免疫系統(tǒng)途徑,并構(gòu)建出甲殼動物免疫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系模型.同時,對于各種免疫刺激劑的作用進(jìn)行統(tǒng)計分析,并將其免疫促進(jìn)或抑制作用標(biāo)示在圖中,為甲殼動物免疫防御的深入研究提供了整體框架.

1 血細(xì)胞類別及主要功能

甲殼動物的免疫防御系統(tǒng)屬于非特異性免疫系統(tǒng)，其免疫反應(yīng)的過程離不開血細(xì)胞的參與.根據(jù)血細(xì)胞中有無顆粒及顆粒大小把其分為3類:透明細(xì)胞(HC)、小顆粒細(xì)胞(SGC)和大顆粒細(xì)胞(GC)[2].3種細(xì)胞行使各自的免疫功能,相互協(xié)作、相互影響,共同執(zhí)行免疫系統(tǒng)的免疫反應(yīng).

2 免疫系統(tǒng)分支途徑及各因子的影響作用

2.1 吞噬作用

在多數(shù)甲殼動物中,透明細(xì)胞主要參與吞噬活動.在直徑較小的外源異物(如生物大分子、真菌、細(xì)菌等)入侵機(jī)體時，單細(xì)胞獨自對其進(jìn)行吞噬作用.其過程主要包括免疫識別、黏附、吞噬、集聚、異物消滅等[5-6].吞噬作用的殺菌機(jī)制主要分為氧化性殺菌和非氧化性殺菌.

2.1.1 氧化性殺菌機(jī)制

氧化性殺菌機(jī)制是指吞噬過程中伴有呼吸爆發(fā)現(xiàn)象出現(xiàn),并產(chǎn)生具有強(qiáng)大殺菌作用的活性氧(ROS)的過程[3-4].主要反應(yīng):

然而活性氧自由基(ROIs)的積累也會對機(jī)體造成損害.機(jī)體本身利用體內(nèi)的抗氧化酶系的協(xié)同作用來清除活性氧自由基.機(jī)體內(nèi)關(guān)鍵性的抗氧化酶系主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)和谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)等.

2.1.2 非氧化性殺菌機(jī)制

在甲殼動物免疫中,非氧化性殺菌機(jī)制主要指外來異物入侵機(jī)體，血細(xì)胞對其選擇性的吞噬或包囊,溶酶體與外來的異物融合,誘發(fā)脫顆?，F(xiàn)象，溶酶體內(nèi)的各種酶類將非己異物直接殺死的過程[5].吞噬作用是由溶菌酶(LSZ)、酸性磷酸酶(ACP)、堿性磷酸酶(AKP)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、酚氧化酶(PO)等構(gòu)成的多酶系統(tǒng)來完成的[3-5].

根據(jù)上述基本過程及反應(yīng)路徑,繪制吞噬作用的免疫反應(yīng)圖(圖1).

圖1 吞噬作用Fig.1 Phagocytosis

2.2 包囊作用與結(jié)節(jié)形成

當(dāng)直徑較大的異物或細(xì)菌超過單個細(xì)胞的吞噬作用能力時，甲殼動物顆粒細(xì)胞對異物包圍聚集成團(tuán),產(chǎn)生黑色素,引發(fā)黑化反應(yīng),將外來異物殺死的過程為包囊作用[6-7].結(jié)節(jié)形成是指甲殼動物將細(xì)胞外入侵物截留形成血細(xì)胞聚集體的過程.根據(jù)上述的作用過程,繪制包囊作用與結(jié)節(jié)形成的免疫反應(yīng)圖(圖2).

2.3 傷口修復(fù)

甲殼動物的傷口修復(fù)主要過程與人類相一致,都是通過多個過程來完成的.外殼是保護(hù)甲殼動物的最基本的物理屏障,一旦出現(xiàn)傷口,其修復(fù)的基本過程如下：1)血細(xì)胞對傷口進(jìn)行浸潤處理；2)產(chǎn)生包囊作用,并分泌黑色素；3)膠原纖維沉積；4)透明細(xì)胞進(jìn)行吞噬作用；5)上皮細(xì)胞再生形成新表皮[8].根據(jù)上述過程,繪制修復(fù)作用的免疫反應(yīng)圖(圖3).

圖2 包囊作用與結(jié)節(jié)形成Fig.2 Encapsulation and nodule formation

圖3 傷口修復(fù)作用Fig.3 Wound repairing effect

2.4 凝血反應(yīng)和凝集反應(yīng)

甲殼動物的凝血反應(yīng)主要是由谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶(TGase)和凝結(jié)蛋白(CP)組成的血淋巴凝結(jié)級聯(lián)反應(yīng)[9-10].凝集反應(yīng)主要是由凝集素參與介導(dǎo)的，是甲殼動物透明細(xì)胞的主要免疫反應(yīng)之一；其主要作用機(jī)制為血細(xì)胞通過凝集素與外來異物結(jié)合,凝集成團(tuán),從而使其失去侵染機(jī)體其他部分和組織擴(kuò)散的能力.根據(jù)上述作用過程,繪制凝血反應(yīng)和凝集反應(yīng)的免疫作用圖(圖4).

2.5 酚氧化酶原激活系統(tǒng)(proPO-AS)殺菌機(jī)制

酚氧化酶原激活系統(tǒng)在整個甲殼動物免疫系統(tǒng)中占據(jù)著最重要的調(diào)控作用,proPO-AS是由模式識別蛋白、絲氨酸蛋白酶、酚氧化酶原、細(xì)胞黏附蛋白以及α2-巨球蛋白等組成的復(fù)雜酶級聯(lián)系統(tǒng)[10-11].模式識別蛋白識別并結(jié)合細(xì)菌等病原體,誘導(dǎo)產(chǎn)生絲氨酸蛋白酶，絲氨酸蛋白酶可激活酚氧化酶原激活酶原(proPPA)，轉(zhuǎn)化為活性的酚氧化酶原激活酶(PPA)，PPA可激活酚氧化酶原(proPO)生成具有活性的酚氧化酶(PO),PO可參與一系列的免疫催化反應(yīng),生成黑色素,進(jìn)而殺死病原體.根據(jù)上述過程,繪制酚氧化酶原免疫反應(yīng)圖(圖5).

圖4 凝集作用和凝血作用Fig.4 Aggregation and clotting effect

圖5 酚氧化酶原激活系統(tǒng)Fig.5 Prophenoloxidase activation system

2.6 抗菌肽殺菌機(jī)制

抗菌肽是甲殼動物中重要的免疫防御因子,為宿主應(yīng)對各種病原體入侵的分子屏障[12].研究表明,抗菌肽對細(xì)菌、真菌和病毒均具有殺傷作用.

2.7 其他免疫途徑

溶血素也是甲殼動物重要的免疫因子之一.溶血素能夠與外來異物結(jié)合,同時溶解破壞靶細(xì)胞膜,從而達(dá)到清除和殺滅病原微生物的目的[13].此外，溶血素還可能參與調(diào)理酚氧化酶原激活系統(tǒng).

3 免疫刺激劑的分類及作用機(jī)制分析

3.1 免疫多糖

免疫多糖是一類免疫增強(qiáng)劑,包括多種多糖如葡聚糖、真菌多糖、細(xì)菌多糖等.免疫多糖的作用機(jī)制[1,14-16]:甲殼動物具有多種結(jié)合和受體蛋白,如脂多糖受體蛋白、葡聚糖受體蛋白等,受體蛋白可識別并結(jié)合特定的免疫多糖,從而誘發(fā)酚氧化酶原激活系統(tǒng)，產(chǎn)生酚氧化酶,催化生成黑色素,進(jìn)而殺滅入侵的病原體;同時,免疫多糖還可以刺激顆粒細(xì)胞產(chǎn)生脫顆粒現(xiàn)象,釋放的免疫活性物質(zhì)可增強(qiáng)血細(xì)胞的吞噬活性,從而消滅病原體(圖6).

3.2 中草藥和維生素類

中草藥對于人類疾病的治療和防御具有重要作用.同樣,一定量的中草藥也可提高甲殼動物免疫能力.如陳皮、甘草等中草藥能夠誘導(dǎo)溶血素和凝集素的產(chǎn)生,提高其在血清中的濃度,從而增強(qiáng)其免疫功能[17].飼料中添加Vc能增強(qiáng)甲殼動物的耐缺氧能力,同時吞噬率和抗菌活性也大大增強(qiáng)[18].有研究表明[18]Vc自身在其體內(nèi)發(fā)揮了抗氧化的作用,用以維持自身自由基產(chǎn)生和清除的平衡,促進(jìn)新陳代謝.

3.3 環(huán)境脅迫

圖6 免疫多糖的作用機(jī)制路徑Fig.6 Mechanism pathes of immunopolysaccharide

圖7 氨氮代謝過程及免疫影響Fig.7 Metabolism and immune impact of the ammonia

3.4 其他

目前,對于免疫刺激劑的研究還不夠全面,主要針對于免疫多糖和環(huán)境脅迫,除此之外,還有許多因素影響甲殼動物的免疫水平.例如:有機(jī)污染物、噪聲污染、光照等外界因素,也會對甲殼動物免疫力產(chǎn)生影響.

4 甲殼動物免疫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系模型圖的構(gòu)建

在參考了部分學(xué)者對部分免疫途徑概括的基礎(chǔ)上,根據(jù)以上免疫分支途徑以及免疫刺激劑對免疫系統(tǒng)的影響,構(gòu)建了整體的甲殼動物免疫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系模型,其中標(biāo)明了免疫因子及刺激劑的促進(jìn)或抑制作用,該作用均來自于實驗[1,15-22]，如圖8.

圖中對免疫刺激劑或環(huán)境因子不明確的促進(jìn)或抑制作用不做考慮；免疫因子的濃度均是影響明顯的最適濃度,個別機(jī)體的免疫反常應(yīng)答在圖中不做標(biāo)示.文中英文符號:β葡聚糖結(jié)合蛋白(βGBP),脂多糖結(jié)合蛋白(LGBP),肽聚糖結(jié)合蛋白(PGBP),細(xì)胞黏附因子(76 ku),乙二胺四乙酸(EDTA),過氧化氫酶(CAT)，脂多膅(LPS),過氧亞硝酸鹽陰離子(ONOO-).圖8 甲殼動物免疫系統(tǒng)主要途徑總圖Fig.8 Main paths of crustacean immune system

縱觀全圖(圖8),在甲殼動物免疫系統(tǒng)作用途徑中,參與反應(yīng)的物質(zhì)有多種;涉及的主要免疫過程9個；殺死病原體的目標(biāo)途徑有4個；反應(yīng)流程與物質(zhì)生成中,促進(jìn)作用22個,抑制作用13個.

5 總結(jié)

甲殼動物免疫系統(tǒng)錯綜復(fù)雜,各免疫分支途徑之間相互協(xié)調(diào)合作,共同維持整個免疫系統(tǒng)的高效而穩(wěn)定.1)根據(jù)對甲殼動物免疫的最新國內(nèi)外文獻(xiàn)研究,對各免疫途徑歸納整理,抽象出免疫分支路徑圖,并作出甲殼動物免疫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型圖,使得整個免疫系統(tǒng)機(jī)制及各因子影響作用更加明確、簡明；2)搜集和分析部分免疫增強(qiáng)劑及免疫抑制劑對于甲殼動物免疫系統(tǒng)的影響,更加直觀地呈現(xiàn)出免疫刺激劑對各免疫路徑的影響作用,對研究其免疫作用機(jī)理具有重要的作用.3)構(gòu)建的甲殼動物免疫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型為進(jìn)一步利用系統(tǒng)生物學(xué)研究機(jī)體整體免疫力提供了保障.但是,對于部分系統(tǒng)分支數(shù)據(jù)的研究尚缺乏,個別免疫刺激劑的促進(jìn)或抑制作用不夠明確，整個系統(tǒng)缺乏一個動態(tài)有效的免疫反應(yīng)狀態(tài),需要進(jìn)一步探討;免疫途徑及因子與免疫刺激劑之間的作用關(guān)系將進(jìn)一步闡明.

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(責(zé)任編輯：趙藏賞)

Networking model of crustacean immune system

WANG Mengmeng,WANG Huixin,GUO Linhao,MA Zhaipu,GUAN Yueqiang
(College of Life Sciences,Hebei University,Baoding 071002,China)

The crustacean immune response belongs to overall response of the individual immune system.This article makes a summary for each immune reaction path by referring to a number of document,and draws each branch of the immune pathway in a map.Statistics show that some immune stimulants exert an influence on the path of the immune system.By merging branches of the immune pathway, a whole crustacean immune defense system map was built.From the map,the immune stimulant effect on the immune response becomes more concrete and concise.It provides visual evidence for immune stimulating mechanism and evaluation of the immune level.

crustacean;immune system;immune stimulator

2016-06-20

河北省科技攻關(guān)計劃項目(06276902B)

王孟孟(1990—),男,山東濟(jì)寧人,河北大學(xué)在讀碩士研究生.940021852@qq.com

馬寨璞(1970—),男,河北保定人,河北大學(xué)教授,主要從事生態(tài)模型及生物計算研究.E-mail:zhaipuma@hbu.edu.cn

10.3969/j.issn.1000-1565.2017.03.010

S945

A

1000-1565(2017)03-0281-06