色氨酸對哺乳動物母-胎界面的免疫調(diào)節(jié)作用及其機制

阮 征 印遇龍，3* 伍國耀

(1.南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，南昌 330047;2.南昌大學(xué)食品學(xué)院，南昌 330031;3.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長沙 410125;4.德克薩斯A＆M大學(xué)動物科學(xué)系，克里奇 77843)

妊娠是指哺乳類雌性承受胎兒在其體內(nèi)發(fā)育成長的過程。由于營養(yǎng)不良或感染病毒等原因，會引起妊娠母豬流產(chǎn)、死胎或產(chǎn)弱仔等繁殖障礙，帶來巨大的經(jīng)濟損失［1］。例如，產(chǎn)仔數(shù)相對較低的大白豬早期胚胎死亡率為26%。因此，母豬健康狀況和繁殖性能是養(yǎng)豬業(yè)健康高效發(fā)展的關(guān)鍵。近年來，一些研究發(fā)現(xiàn)氨基酸對提高母豬繁殖能力具有重要的作用。精氨酸顯著提高母豬窩產(chǎn)活仔數(shù)和窩活仔重［2］。對人早孕絨毛和足月胎盤組織進行體外細(xì)胞培養(yǎng)，添加色氨酸至生理濃度，無 γ -干擾素(interferon-γ，IFN-γ)時僅色氨酸和蘇氨酸被代謝利用，濃度顯著降低;添加色氨酸可以完全恢復(fù)外周血單核細(xì)胞的增殖，添加其他氨基酸無類似效應(yīng)［3］。在妊娠第35天的飼糧中添加精氨酸提高了活胎數(shù)，促進了胎盤發(fā)育和血管化分?jǐn)?shù)［4］。然而，Li等［5］研究發(fā)現(xiàn)精氨酸有降低妊娠早期母豬胚胎存活的作用。由此說明:第一，氨基酸調(diào)控妊娠期代謝(母豬繁殖能力)的分子機制尚不清楚;第二，即使是同一種氨基酸，在妊娠不同階段(早、中、晚期)所體現(xiàn)的生理作用均不同。

1 色氨酸的概述

色氨酸，又名α-氨基-β-吲哚丙酸，是哺乳動物體內(nèi)細(xì)胞維持活化和增殖所必需的氨基酸。它是一種特殊的必需氨基酸，是動物體內(nèi)唯一通過非共價鍵和血清白蛋白結(jié)合的氨基酸，廣泛參與蛋白質(zhì)合成和核酸合成。色氨酸通常在仔豬飼糧中為第二或第三限制性氨基酸，在成年豬基礎(chǔ)飼糧中為第四限制性氨基酸［6］。色氨酸具有促進蛋白質(zhì)合成、調(diào)節(jié)基因表達(dá)、提高食欲、緩解應(yīng)激和促進生長的作用［7］。

色氨酸主要有2條代謝途徑(圖1):一是沿犬尿氨酸(kynurenine，Kyn)的代謝途徑;二是沿5-羥色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)的代謝途徑。

圖1 L-色氨酸代謝途徑Fig.1 Metabolic pathways of L-tryptophan

吲哚胺 2，3- 雙加氧酶(indoleamine 2，3-dioxygenase，IDO)是色氨酸分解代謝中除肝臟以外唯一可催化色氨酸分子中吲哚環(huán)氧化裂解，沿Kyn途徑分解代謝的限速酶。它通過降解局部組織中的色氨酸，在誘發(fā)宿主免疫防御、誘導(dǎo)母胎免疫耐受和抗腫瘤免疫等方面均發(fā)揮重要的代謝性免疫調(diào)節(jié)作用［8］。IDO能在腫瘤細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，可降解色氨酸，導(dǎo)致細(xì)胞微環(huán)境中色氨酸耗竭，使得細(xì)胞毒性T細(xì)胞(CD8+T細(xì)胞)增殖靜止在G1期(因為T細(xì)胞增殖需要色氨酸)，抑制細(xì)胞毒性T細(xì)胞增殖，導(dǎo)致腫瘤的免疫逃逸［9］。在胎盤中表達(dá)IDO可保護同種異體(胎兒)免遭母體排斥［10］。表達(dá)IDO的細(xì)胞主要分布在胸腺髓質(zhì)和次級淋巴管的T細(xì)胞區(qū)，以及免疫耐受或免疫特赦組織(如胎盤、胃腸道黏膜、胸腺與附睪)中，并且特異性地表達(dá)在巨噬細(xì)胞和樹突細(xì)胞上。近年來，由于IDO在免疫和代謝生理中具有雙重作用而受到重點關(guān)注［11］。

2 色氨酸對母-胎界面免疫的影響

2.1 母-胎界面與免疫耐受

母-胎界面是由母體蛻膜組織和胚胎滋養(yǎng)層組織共同構(gòu)成的，在調(diào)節(jié)胚胎發(fā)育和胎盤形成等方面發(fā)揮著重要作用，也是形成免疫耐受的核心部位［12］。母-胎免疫耐受機制的失調(diào)可導(dǎo)致母體對胚胎的免疫排斥，比如反復(fù)自然流產(chǎn)和胚胎丟失。母-胎界面1型輔助性T細(xì)胞(type 1 helper T cell，Th1)向2型輔助性T細(xì)胞(type 2 helper T cell，Th2)漂移所形成的Th2型免疫優(yōu)勢，及調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory T cell，Treg)擴增是母-胎免疫耐受和成功妊娠的標(biāo)志［13］。近年來，研究揭示蛻膜組織中含有一定量的免疫細(xì)胞，蛻膜自然殺傷(decidual natural killer，dNK)細(xì)胞占淋巴細(xì)胞總量的70%～80%，另外還有樹突狀細(xì)胞(dendritic cells，DC)、巨噬細(xì)胞和 T 細(xì)胞。Dürr等［14］報道IDO在妊娠早期即已在滋養(yǎng)層細(xì)胞中表達(dá);Hao等［15］發(fā)現(xiàn)IDO在維持母-胎免疫耐受中起重要作用。Lockwood等［16］提出一個觀點，他認(rèn)為正常妊娠時蛻膜組織可能分泌某些免疫抑制物，使dNK細(xì)胞對滋養(yǎng)細(xì)胞的殺傷作用受到抑制;異常時dNK細(xì)胞被激活，激活蛻膜中的巨噬細(xì)胞及其他細(xì)胞使之釋放細(xì)胞毒性物質(zhì)，從而造成流產(chǎn)。綜上，妊娠早期母-胎界面成分及其構(gòu)成的特殊的免疫微環(huán)境對母-胎免疫耐受的維持至關(guān)重要，但是，有關(guān)蛻膜組織和胚胎滋養(yǎng)層的氨基酸代謝以及免疫調(diào)節(jié)(耐受和失衡)的生理/病理機制至今尚不十分清楚。

2.2 色氨酸與IDO對繁殖能力和免疫的影響

IDO在母-胎界面表達(dá)，對免疫應(yīng)答起到重要調(diào)節(jié)作用［15］。Ban 等［17］發(fā)現(xiàn)，與正常妊娠婦女相比，反復(fù)自然流產(chǎn)婦女的胎盤和蛻膜組織表達(dá)的IDO蛋白質(zhì)和基因水平均顯著降低;在移植的滋養(yǎng)層絨毛細(xì)胞和HTR-8/SVneo細(xì)胞培養(yǎng)中，IFN-γ顯著增加IDO的活性。研究發(fā)現(xiàn)，妊娠早期IDO和Kyn羥化酶在蛻膜基質(zhì)和腺狀上皮細(xì)胞具有高表達(dá)［18］。人體絨毛膜促性腺激素能上調(diào)IDO mRNA和蛋白質(zhì)的表達(dá)，從而提高IDO的活性［19］。妊娠早期感染合成的模擬病毒RNA［聚肌胞苷酸，poly(I:C)］后，Toll樣受體3(Toll-like receptor 3，TLR3)通過 β -干擾素(interferon-β，IFN-β)的依賴性途徑誘導(dǎo)滋養(yǎng)層細(xì)胞表達(dá)IDO，有助于抑制微生物活性和維持母-胎免疫耐受［20］。然而，Lopez等［21］發(fā)現(xiàn)，在妊娠早期，人巨細(xì)胞病毒(human cytomegalovirus，HCMV)感染后能抑制胎盤IDO的活性;與妊娠晚期相比，HCMV更容易感染妊娠早期胎盤。這說明在妊娠期IDO活性受不同病毒調(diào)控的作用不一致。流產(chǎn)衣原體(Chlamydophila abortus)能感染胚胎滋養(yǎng)層，引起細(xì)胞損傷和炎癥并導(dǎo)致流產(chǎn)。Entrican等［22］提出一個疑問:一個色氨酸營養(yǎng)缺陷型的有機體(流產(chǎn)衣原體)，為什么趨向色氨酸缺乏的組織(滋養(yǎng)層)?這說明當(dāng)前的認(rèn)識還不能揭示母-胎界面組織與免疫/病毒的相互作用與機制，還有待進一步研究。

色氨酸能維持哺乳動物體內(nèi)細(xì)胞活化和促進增殖，同時它也是動物體內(nèi)唯一通過非共價鍵和血清白蛋白結(jié)合的氨基酸，廣泛參與蛋白質(zhì)與核酸的合成。添加色氨酸可提高母豬繁殖能力。和母豬妊娠(58 d)相比，產(chǎn)后第2和4天的血漿色氨酸含量顯著降低;在哺乳期間(1周內(nèi))，不活潑的豬與活潑的豬相比，其血漿色氨酸含量顯著降低，說明色氨酸或其代謝物對豬的行為和繁殖能力具有重要影響［23］。邱時秀［24］發(fā)現(xiàn)，飼糧添加色氨酸(0.20%、0.35%、0.50%和0.75%)可降低感染偽狂犬病毒孕鼠的死亡率和流產(chǎn)率，提高胚胎存活率和活產(chǎn)仔數(shù)(用活胚數(shù)回歸分析表明，感染病毒孕鼠飼糧色氨酸水平為0.56%時活胚數(shù)最高);病毒感染提高了孕鼠的色氨酸需要量，感染孕鼠色氨酸的需要量為正常孕鼠的1.6倍。基于細(xì)胞水平或細(xì)胞微環(huán)境的、已經(jīng)明了的免疫調(diào)節(jié)機制結(jié)論(色氨酸耗竭能介導(dǎo)T細(xì)胞免疫耐受)與動物層次的試驗結(jié)果是存在差異的，說明母-胎組織與細(xì)胞層次免疫和代謝機制尚待進一步研究。

色氨酸沿Kyn途徑的代謝物質(zhì)具有調(diào)節(jié)免疫炎癥的作用［25］。Jenabian 等［26］研究表明，在艾滋病感染者中獨特的色氨酸分解代謝物Kyn和3-羥基犬尿氨酸(3-hydroxykynurenine，3OH-Kyn)調(diào)節(jié)17型輔助性T細(xì)胞(type 17 helper T cell，Th17)/Treg平衡。Kyn、3OH-Kyn和3-羥基鄰氨基苯甲酸(3-hydroxyanthranilic acid，3-HAA)強烈抑制T細(xì)胞反應(yīng)［27］。3OH-Kyn和3-HAA減弱了大鼠血管球性腎炎，降低了脾臟T細(xì)胞增殖［28］。利用液相-質(zhì)譜技術(shù)進行代謝組學(xué)分析證實，在白細(xì)胞介素-10(IL-10)(-/-)小鼠血漿中Kyn和3OH-Kyn含量顯著升高，15種代謝物(包括巖藻糖、黃尿酸和5-氨基戊酸)的含量有差異，且均與腸炎癥相關(guān)［29］。能夠分解代謝色氨酸的某些類型的腫瘤不表達(dá)IDO，例如，最近的研究進一步說明在惡性神經(jīng)膠質(zhì)瘤和其他類型的癌癥中存在替代的色氨酸分解酶催化與調(diào)節(jié)途徑［30］。由IDO代謝途徑形成的3-HAA對大鼠進行單次注射后，可以直接抑制由異體骨活化骨髓源性樹突狀細(xì)胞激活的T細(xì)胞增殖，并隨后在體內(nèi)消滅能介導(dǎo)同種異體排斥的特定的T細(xì)胞亞群［31］。因此，這就產(chǎn)生1個假說:母-胎免疫耐受的另外一個機制可能是通過具有生物活性的色氨酸代謝物抑制淋巴細(xì)胞的增殖，產(chǎn)生較強的免疫抑制效果(圖2)。

圖2 色氨酸代謝物可能的作用途徑Fig.2 Possible pathways of metabolites for tryptophan

3 小結(jié)

流產(chǎn)是降低妊娠母豬繁殖能力的重要原因之一，也是免疫耐受失調(diào)的重要表現(xiàn)之一。飼糧添加色氨酸能提高母豬繁殖能力已引起發(fā)達(dá)國家動物營養(yǎng)與免疫學(xué)領(lǐng)域研究者的重視。對于動物妊娠階段的氨基酸生理功效與免疫調(diào)控的研究相對其他階段是比較滯后的，造成這種現(xiàn)象的原因可能與妊娠期間的氨基酸營養(yǎng)研究相對其他階段較困難有關(guān)。

研究發(fā)現(xiàn)色氨酸能促進細(xì)胞毒性T細(xì)胞介導(dǎo)免疫排斥(流產(chǎn))，經(jīng)由Kyn途徑代謝物和/或IDO能抑制細(xì)胞毒性T細(xì)胞介導(dǎo)的妊娠哺乳動物的免疫排斥。然而，色氨酸及其代謝物(如 Kyn和3OH-Kyn)調(diào)控妊娠母豬母-胎界面蛻膜NK細(xì)胞、Treg和/或Th17的機理仍然有待于研究。

［1］楊平，吳德，車煉強，等.飼糧添加L-精氨酸或N-氨甲酰谷氨酸對感染PRRSV妊娠母豬繁殖性能及免疫功能的影響［J］.動物營養(yǎng)學(xué)報，2011，23(8):1351-1360.

［2］WU G Y，BAZER F W，DAVIS T A，et al.Important roles for the arginine family of amino acids in swine nutrition and production［J］.Livestock Science，2007，112(1/2):8-22.

［3］KUDO Y，BOYD C A R，SARGENT I L，et al.Tryptophan degradation by human placentalindoleamine 2，3-dioxygenase regulates lymphocyte proliferation［J］.The Journal of Physiology，2001，535(1):207-215.

［4］BéRARD J，BEE G.Effects of dietary L-arginine supplementation to gilts during early gestation on foetal survival，growth and myofiber formation［J］.Animal，2010，4(10):1680-1687.

［5］LI X L，BAZER F W，JOHNSON G A，et al.Dietary supplementation with 0.8%L-arginine between days 0 and 25 of gestation reduces litter size in gilts［J］.The Journal of Nutrition，2010，140(6):1111-1116.

［6］劉德輝，黃毓茂，徐蕙.豬限制性氨基酸需要量研究進展［J］.畜禽業(yè)，2009(5):20-21.

［7］LE FLOC＇H N，OTTEN W，MERLOT E.Tryptophan metabolism，from nutrition to potential therapeutic applications［J］.Amino Acids，2011，41(5):1195-205.

［8］MCGAHA T L，HUANG L，LEMOS H，et al.Amino acid catabolism:a pivotal regulator of innate and adaptive immunity［J］.Immunological Reviews，2012，249(1):135-157.

［9］FALLARINO F，GROHMANN U，YOU S，et al.The combined effects of tryptophan starvation and tryptophan catabolites down-regulate T cell receptor ζ-chain and induce a regulatory phenotype in naive T cells［J］.The Journal of Immunology，2006，176(11):6752-6761.

［10］PETROFF M G.Immune interactions at the maternalfetal interface［J］.Journal of Reproductive Immunology，2005，68(1/2):1-13.

［11］AUSTIN C J D，ASTELBAUER F，KOSIM-SATYAPUTRA P，et al.Mouse and human indoleamine 2，3-dioxygenase displaysome distinct biochemical and structural properties［J］.Amino Acids，2009，36(1):99-106.

［12］HAUK V，AZZAM S，CALO G，et al.Vasoactive intestinal peptide induces an immunosuppressant microenvironment in the maternal-fetal interface of non-obese diabetic mice and improves early pregnancy outcome［J］.American Journal of Reproductive Immunology，2014，71(2):120-130.

［13］李大金.母-胎界面免疫耐受微環(huán)境的分子信息傳導(dǎo)機制［J］.醫(yī)學(xué)研究雜志，2011，40(7):3-5.

［14］DüRR S，KINDLER V.Implication of indolamine 2，3 dioxygenase in the tolerance toward fetuses，tumors，and allografts［J］.Journal of Leukocyte Biology，2013，93(5):681-687.

［15］HAO K H，ZHOU Q，CHEN W，et al.Possible role of the‘IDO-AhR axis’in maternal-foetal tolerance［J］.Cell Biology International，2013，37(2):105-108.

［16］LOCKWOOD C J，HUANG S J，CHEN C P，et al.Decidual cell regulation of natural killer cell-recruiting chemokines:implications for the pathogenesis and prediction of preeclampsia［J］.The American Journal of Pathology，2013，183(3):841-856.

［17］BAN Y L，CHANG Y C，DONG B H，et al.Indoleamine 2，3-dioxygenase levels at the normal and recurrent spontaneous abortion fetal-maternal interface［J］.Journal of International Medical Research，2013，41(4):1135-1149.

［18］LIGAM P，MANUELPILLAI U，WALLACE E M，et al.Localisation of indoleamine 2，3-dioxygenase and kynurenine hydroxylase in the human placenta and decidua:implications for role of the kynurenine pathway in pregnancy［J］.Placenta，2005，26(6):498-504.

［19］LEI Z M，YANG M，LI X，et al.Upregulation of placental indoleamine 2，3-dioxygenase by human chorionic gonadotropin［J］.Biology of Reproduction，2007，76(4):639-644.

［20］WANG B，KOGA K，OSUGA Y，et al.Toll-like receptor-3 ligation-induced indoleamine 2，3-dioxygenase expression in human trophoblasts［J］.Endocrinology，2011，152(12):4984-4992.

［21］LOPEZ H，BENARD M，SAINT-AUBERT E，et al.Novel model of placental tissue explants infected by cytomegalovirus reveals different permissiveness in early and term placentae and inhibition of indoleamine 2，3-dioxygenase activity［J］.Placenta，2011，32(7):522-530.

［22］ENTRICAN G，WATTEGEDERA S，ROCCHI M，et al.Pregnancy，indoleamine 2，3-dioxygenase(IDO)and chlamydial abortion:an unresolved paradox［J］.Veterinary Microbiology，2009，135(1):98-102.

［23］MOSNIER E，DOURMAD J Y，ETIENNE M，et al.Feed intake in the multiparous lactating sow:its relationship with reactivity during gestation and tryptophan status［J］.Journal of Animal Science，2009，87(4):1282-1291.

［24］邱時秀.日糧色氨酸水平對感染偽狂犬病毒妊娠雌鼠繁殖性能和免疫功能的影響［D］.碩士學(xué)位論文.雅安:四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

［25］PLATTEN M，WICK W，VAN DEN EYNDE B J.Tryptophan catabolism in cancer:beyond IDO and tryptophan depletion［J］.Cancer Research，2012，72(21):5435-5440.

［26］JENABIAN M A，PATEL M，KEMA I，et al.Distinct tryptophan catabolism and Th17/Treg balance in HIV progressors and elite controllers［J］.PLoS One，2013，8(10):e78146.

［27］BAUER T M，JIGA L P，CHUANG J J，et al.Studying the immunosuppressive role of indoleamine 2，3-dioxygenase:tryptophan metabolites suppress rat allogeneic T-cell responses in vitro and in vivo［J］.Transplant International，2005，18(1):95-100.

［28］HOU W P，HUANG G，CAO X J，et al.Suppression of experimental autoimmune glomerulonephritis by tryptophan［J］.Journal of Nephrology，2014，27(1):19-28.

［29］LIN H M，BARNETT M P，ROY N C，et al.Metabolomic analysis identifies inflammatory and noninflammatory metabolic effects of genetic modification in a mouse model of Crohn’s disease［J］.Journal of Proteome Research，2010，9(4):1965-1975.

［30］ZHU B T.Development of selective immune tolerance towards the allogeneic fetus during pregnancy:role of tryptophan catabolites(review)［J］.International Journal of Molecular Medicine，2010，25(6):831-835.

［31］DAI X C，ZHU B T.Suppression of T-cell response and prolongation of allograft survival in a rat model by tryptophan catabolites［J］.European Journal of Pharmacology，2009，606(1/2/3):225-232.