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鱼类皮肤免疫应答及蛋白质组学

2016-03-29吕爱军胡秀彩孙敬锋石洪玥陈成勋孔祥会

水产科学 2016年3期
关键词:斑马鱼组学黏液

吕爱军,胡秀彩,孙敬锋,石洪玥,陈成勋,李 莉,孔祥会

( 1.天津农学院 水产学院,天津市水产生态及养殖重点实验室,天津 300384;2.河南师范大学 水产学院,河南 新乡 453007 )

鱼类皮肤免疫应答及蛋白质组学

吕爱军1,胡秀彩1,孙敬锋1,石洪玥1,陈成勋1,李 莉2,孔祥会2

( 1.天津农学院 水产学院,天津市水产生态及养殖重点实验室,天津 300384;2.河南师范大学 水产学院,河南 新乡 453007 )

鱼类;皮肤;免疫应答;蛋白质组学

S94

鱼类皮肤作为黏膜免疫系统的重要组成部分,也是阻止病原微生物进入体内的第一道防线[1]。鱼类皮肤黏膜免疫系统不仅对宿主防御病原侵入是必要的,而且对水产养殖疫苗应用也十分重要[2-3]。近年来,与系统免疫相比而言,鱼类皮肤黏膜免疫应答研究备受关注[4-6]。笔者针对鱼类皮肤免疫应答的分子机制及蛋白质组学研究进行简要综述,以期为鱼类病害的预防和治疗提供科学参考。

1 鱼类皮肤免疫应答

1.1 皮肤抗体与免疫应答

鱼类皮肤上皮组织中含有大量的黏液细胞、巨噬细胞和各类淋巴细胞,与其他活性物质组成了抵御病原微生物感染的有效防线[7-8]。鱼类皮肤分泌的抗体可以参与保护机体,并防御病原的感染[9-11]。最近相继从草鱼(Ctenopharyngodonidellus)、斑点叉尾(Ictaluruspunctatus)、斜带石斑鱼(Epinepheluscoioides)等鱼类的皮肤培养液中检测到特异性抗体[10-12]。研究发现鱼类皮肤黏液中不仅存在免疫球蛋白,而且一些鱼类的皮肤中含有抗体分泌细胞[13-14]。除IgM外,已报道IgT是一种黏膜免疫抗体,认为在鱼类皮肤、肠道抗感染免疫中起重要作用[15-16]。更直接的证据来自对免疫后斑点叉尾的皮肤进行离体培养试验[17-18],结果表明,皮肤黏液中的抗体是由上皮组织内的细胞合成并释放,能固化和杀死多子小瓜虫(Ichthyophthiriusmultifiliis),阻止其连续入侵。Shoemaker等[19]报道从腹腔注射免疫的斑点叉尾皮肤培养液中检测到抗柱状黄杆菌(Flavobacteriumcolumnare)抗体,并且尼罗罗非鱼(Oreochromisniloticus)注射佛氏完全佐剂和福尔马林灭活的柱状黄杆菌后,具有皮肤黏膜抗体的免疫应答[20]。最近报道石斑鱼在注射或浸泡免疫刺激隐核虫(Cryptocaryonirritans)1周后,通过酶联免疫吸附试验能够检测出血清和皮肤培养上清液的抗体滴度[10]。目前已经建立了斑点叉尾离体皮肤抗体的检测方法[17-18]。Xu等[11]研究报道在小瓜虫幼虫感染斑点叉尾皮肤培养液中的抗体水平不断升高。研究表明,鱼类皮肤抗体的免疫应答在抵抗寄生虫病原的获得性免疫中具有重要作用[11,17-18]。Saha等[21]研究表明,IgM轻链基因型在红鳍东方鲀(Takifugurubripes)皮肤和鳃中有表达,认为黏液免疫球蛋白在体表的免疫保护中起重要作用。研究表明鱼类皮肤局部不仅可以产生分泌抗体,还可能存在独立的皮肤免疫应答机制[22-23]。尽管对鱼类皮肤免疫应答取得初步了解,目前对皮肤相关细胞因子的来源尚不清晰。

1.2 皮肤免疫应答的分子调控

对人和哺乳动物的研究表明,皮肤不仅具有非特异性免疫防御功能,而且参与机体特异性免疫的抗原识别、免疫细胞激活及皮肤免疫应答等过程[8,24]。与哺乳动物相比,关于鱼类皮肤免疫应答的分子调控机制,目前仍不十分清楚[25-26]。Karsi等[27]最早进行斑点叉尾皮肤表达转录组分析获得1909 ESTs片段,鉴定为496个皮肤相关基因。此后,陆续报道体表寄生虫感染虹鳟(Oncorhynchusmykiss)皮肤免疫相关基因表达调控的研究[28-32]。研究表明,白介素(IL-1β)是鲤鱼(Cyprinuscarpio)皮肤炎症应答中最重要、反应最快的介导物之一[33]。IL-1β是一种多功能细胞因子,其不仅在鱼类皮肤免疫应答的起始阶段起重要作用,而且在皮肤炎症反应过程中与免疫相关基因的表达有关[28,33]。Gonzalez等[34]发现,寄生虫感染的鲤鱼皮肤中IL-1β表达在36 h达到峰值,这与由机械损伤的皮肤而诱导的表达模式一致,说明IL-1β转录水平上调很可能是由于体外寄生虫穿透皮肤上皮屏障造成机械损伤引起。Matejusová等[35]采用抑制性差减杂交技术对三代虫(Gyrodactylussalaris)感染诱导大西洋鲑(Salmosalar)皮肤基因表达谱进行分析,结果筛选获得162个克隆,其中免疫相关基因约占12.5%。三代虫感染虹鳟皮肤中IFN-γ上调表达,B细胞、嗜中性粒细胞等参与皮肤免疫应答[36]。采用多子小瓜虫感染鲤鱼皮肤模型进行研究,结果表明在2个皮肤cDNA文库共计3500 ESTs序列中发现82个免疫相关基因,主要有补体系统基因表达(C7,FP,FD)、干扰素和CC趋化因子等,提示这些细胞因子在鱼类皮肤免疫系统中起重要调节功能[37-38]。最近,利用基因芯片结合qRT-PCR技术等对寄生虫感染的大西洋鲑皮肤进行基因表达谱分析,主要包括免疫应答、氧化应激、蛋白折叠和细胞骨架蛋白相关基因发生变化[39-40]。Caipang等[41]采用qRT-PCR方法对26个大西洋鳕(Gadusmorhua)皮肤免疫相关基因转录谱进行分析,发现皮肤相关高表达基因主要参与抗菌活性、抗病毒应答、细胞因子、应激反应以及抗调亡活性等。Lü等[42]采用斑马鱼(Daniorerio)基因芯片技术等进行弗氏柠檬酸杆菌(Citrobacterfreundii)感染诱导斑马鱼皮肤的基因表达谱分析,结果表明斑马鱼皮肤差异表达基因229个,其中有196个上调表达基因和33个下调表达基因;进一步通过Gene Ontology和KEGG信号通路分析表明,88个差异表达基因与皮肤免疫应答显著相关,主要包括补体激活、急性期反应、应激防御反应、抗原加工提呈、细胞迁移黏附、凝血因子和血小板激活、细胞调亡和自噬调节等免疫应答过程。与鲤鱼皮肤转录谱[37]比较分析,发现鱼类存在一个类似的非特异性免疫应答机制(如干扰素、凝集素、热休克蛋白、补体等),同时在斑马鱼皮肤中检测到一些不同的急性期反应相关基因(转铁蛋白、铜蓝蛋白、卵黄原蛋白和α-1-微球蛋白等)。近几年基于鱼类皮肤免疫应答相关文献报道转录组分析[27-42],研究揭示了病原体感染诱导鱼类皮肤局部产生释放IL-1β,从而促使皮肤杯状细胞分泌黏液(包含溶菌酶、蛋白酶、凝集素等)、巨噬细胞激活以及一些TLR、MAPK等信号通路相关基因上调表达,其中TNF-α上调表达可能与皮肤中肥大细胞激活与脱颗粒有关,通过吸引巨噬细胞、中性粒细胞至皮肤上皮组织,并且导致皮肤中氧自由基、活性氮的生成和补体成分的分泌,最终启动激活鱼类皮肤免疫应答反应。也有报道认为TGF-β、前列腺素等细胞因子在鱼类皮肤应答反应中可能起抑制调节作用[1]。因此,鱼类皮肤免疫应答的分子调控机制仍不十分清楚,进一步诠释“鱼类皮肤免疫分子的调控机制”,在蛋白质水平上尚需进行大量试验研究验证。

笔者对嗜水气单胞菌(Aeromonashydrophila)感染的斑马鱼皮肤转录组研究表明,斑马鱼感染36 h后基因表达发生明显差异表达,检测到222个皮肤免疫相关基因,包括补体活化(c3、c3b、c8a、c8g、c9、cfb和c6),急性期反应(载脂蛋白ApoA-I、ApoA-II、卵黄蛋白原),应激反应(热休克蛋白hsp70、hsp90a.1、hsp90a.2),趋化因子(ccl1、cxcl14、ccl-c5a和cxl-c24a)和细胞凋亡,KEGG分析显示这些基因参与了MAPK、p53、Wnt、TGF-b、Notch、ErbB、JAK-STAT、VEGF、mTOR和钙信号等免疫信号通路[26]。以上研究提示鱼类皮肤免疫相关基因在机体抗感染免疫中发挥重要作用,这有助于理解鱼类皮肤免疫应答的分子调控机制。

2 鱼类皮肤免疫蛋白质组学

2.1 皮肤黏液蛋白质组学

鱼类皮肤黏液成分比较复杂,主要由黏液细胞产生并分泌到皮肤表面,其主要成分为黏蛋白,它是一种分子量约106 ku的糖蛋白[7-8]。此外,黏液中含有多种酶和免疫因子,包括溶菌酶、组织蛋白酶、酯酶、金属蛋白酶、免疫球蛋白、凝集素、干扰素、钙调素、补体、抗菌肽、组蛋白和核糖体蛋白等[1,8]。近几年,随着蛋白质组学技术的发展成熟,开始应用双向凝胶电泳、质谱技术等开展鱼类黏液蛋白质组学相关研究[43-44]。Rajan等[43]采用双向凝胶电泳结合液相色谱—质谱联用技术对大西洋鳕皮肤黏液的蛋白质组学分析,发现皮肤黏液中存在凝集素、g型溶菌酶、丝氨酸蛋白酶抑制剂/半胱氨酸蛋白酶抑制剂B、亲环素A、FK-506结合蛋白、蛋白酶体亚基(α-3和α-7)和泛素等免疫功能分子。通过MS技术鉴定牙鲆(Paralichthysolivaceus)皮肤黏液中存在转铁蛋白,IgM水平、溶菌酶活性较高,对迟钝爱德华氏菌(Edwardsiellatarda)、创伤弧菌(Vibriovulnificus)等多种鱼类病菌有较强抗菌活性[45]。研究表明,柱状黄杆菌、杀鲑弧菌(V.salmonicida)对鱼类皮肤黏液具有趋向性,其中热休克蛋白DnaK、分子伴侣GroEL和鞭毛蛋白等上调蛋白参与细菌运动性和氧化应激反应[46-47]。Ma等[48]对不同水温度下大菱鲆(Scophthalmusmaximus)皮肤黏液的差异蛋白质组进行研究,筛选6个差异蛋白进行质谱鉴定,结果表明凝集素和细胞角蛋白在黏液抗热胁迫中可能是潜在的生物标志物,这为进一步研究鱼类皮肤黏液的环境胁迫机制提供参考。Valdenegro-Vega等[49]采用蛋白质组学和基因组学技术,研究患阿米巴鳃病大西洋鲑鳃和皮肤黏液的差异蛋白质组学,发现42个皮肤黏液相关蛋白,其中包括C反应蛋白、载脂蛋白1、颗粒体、组织蛋白酶、血管生成素-1等参与细胞信号转导和炎症途径,结果表明,黏液中的补体C3、前梯度蛋白-2和膜联蛋白A-1等蛋白可能是鱼类皮肤感染相关蛋白标志物。最近,Jurado等[50]采用液相色谱—质谱联用技术和2-DE-PMF-MS/MS技术首次成功构建了金头鲷(Sparusaurata)皮肤黏液蛋白质组学图谱,进行GO聚类分析将其分成4类蛋白,其中参与应激反应的蛋白有WAP65、热休克蛋白70、铜锌氧化物歧化酶和PRDX1、PRDX2等;信号转导蛋白有PP2A 65 ku调节亚基、14-3-3蛋白β/α、酪氨酸3单加氧酶/色氨酸5单加氧酶激活蛋白、RhoGDI和PEBP1。Rajan等[51]对鳗弧菌(V.anguillarum)感染的大西洋鳕皮肤黏液蛋白质组进行研究,发现一些显著差异表达的黏液免疫相关蛋白,主要涉及钙蛋白酶小亚基1、谷胱甘肽-S-转移酶ω1、蛋白酶体26S亚基、14 ku载脂蛋白、β2-微管蛋白、冷诱导RNA结合蛋白、苹果酸脱氢酶2和Ⅱ型角蛋白,鳗弧菌浸泡感染试验表明,β2-微管蛋白、冷诱导RNA结合蛋白、钙蛋白酶小亚基1、谷胱甘肽-S-转移酶ω1等差异蛋白的mRNA在早期感染的皮肤组织中高表达。Sanahuja等[52]报道,采用2D技术在金头鲷皮肤黏液中发现1300个蛋白点,进一步采用液相色谱—质谱联用方法对其中100个高丰度蛋白进行鉴定分析,结果表明62个蛋白分属于12个GO类别,主要涉及一些结构、代谢和保护蛋白等生物学过程,包括热休克蛋白、转铁蛋白、血红素结合蛋白等。最近,通过对鱼类皮肤黏液的蛋白质组学研究,除发现黏蛋白、溶菌酶、补体等皮肤免疫相关蛋白外,其中转铁蛋白、热休克蛋白、C反应蛋白、载脂蛋白等在鱼类皮肤黏液中可能发挥重要作用[45,49,52],但是这些蛋白在鱼类皮肤免疫应答过程中的作用机制尚未见文献报道。而且,从国外学者对鱼类皮肤黏液蛋白质组学的研究报道来看,在分子水平上试图阐明鱼类皮肤黏液的蛋白质组学机制尚存在争议[43,45]。目前,针对不同鱼类黏液的蛋白质组学研究,包括大西洋鳕、金头鲷、鲫鱼(Carassiusauratus)等获得皮肤黏膜免疫相关蛋白鉴定仍存在一定差异,研究结果显示参差不齐[43-51],有待于进一步深入开展研究工作。尽管如此,鱼类皮肤黏液的蛋白质组学以及建立黏液蛋白图谱研究,将有利于发现更多皮肤黏液中的免疫相关蛋白,为鱼类皮肤黏膜免疫应答机制奠定理论基础。

2.2 皮肤蛋白质组学

鱼类皮肤不仅维持鱼类体内稳态的物理屏障,而且是机体抵抗病原体入侵的有效防线之一[1,8]。因此,研究鱼类皮肤免疫应答相关蛋白,有助于了解鱼类皮肤对病原体的防御机制,对鱼类疾病的防治具有重要意义。尽管鱼类皮肤是黏膜免疫系统的重要组成部分,但关于皮肤免疫应答的蛋白质组学研究起步相对较晚,目前鲜有文献报道[44,52]。Lü等[44]采用双向电泳结合质谱技术,检测嗜水气单胞菌感染斑马鱼皮肤的差异表达蛋白,其中免疫相关蛋白包括MHC Ⅱ类DRa1域、肌球蛋白重链V区、甘油醛-3-磷酸脱氢酶、转录因子AP-2α和肌动蛋白等,再运用基因芯片进一步证实蛋白质组学的结果,分别从蛋白质水平和转录水平,对细菌感染斑马鱼皮肤免疫应答机制进行探讨。Ibarz等[53]运用等离子分析、双向凝胶电泳和液相色谱—质谱联用等技术,研究金头鲷在雌激素刺激下再生皮肤与正常皮肤的差异蛋白质组学,结果表明,在皮肤再生阶段初期,细胞增殖相关蛋白包括骨甘氨酸、脂质运载蛋白2、核纤层蛋白A和转录因子等呈现上调表达,提示他们可能参与皮肤组织形成、再生过程,并且雌二醇-17β(E2)与皮肤伤口愈合有一定关系。最近,笔者采用嗜水气单胞菌浸泡感染鲫鱼皮肤的差异蛋白质组学分析,发现皮肤免疫相关蛋白包括肌动蛋白、肌酸激酶M型、角蛋白、热休克蛋白同源71 ku等,对鉴定蛋白进行GO分析和KEGG信号通路分析,将差异蛋白分为15种生物学功能,主要参与吞噬体、紧密连接、Wnt等19种免疫相关信号通路(待发表)。以上研究报道,不仅为解释鱼类皮肤组织的生理功能和黏膜屏障提供科学依据,而且为进一步探索皮肤的病理蛋白质组学及分子免疫机制奠定基础。但是,与皮肤免疫应答的转录组学研究相比[27-42],针对鱼类皮肤的蛋白质组学分析还非常薄弱[44,53],亟待今后研究解决。

3 研究展望

近年来,鱼类皮肤黏膜免疫应答的分子机制是鱼类免疫学研究热点问题之一[1-6]。综上所述,鱼类除了具有机体系统免疫应答外,针对病原可能还有其他的免疫保护机制,还存在独立的皮肤免疫系统。研究表明鱼类皮肤已具备免疫系统的构成要件,皮肤作为最大的免疫器官含有大量的免疫细胞与免疫分子[1,7-8],其中诸多皮肤免疫分子仍需要在蛋白质水平上研究验证其确切功能。目前国外的已有报道建立了斑马鱼转基因品系,可用于皮肤细胞凋亡的相关研究,而且鉴定获得一些斑马鱼皮肤免疫相关基因蛋白[54-55],为今后系统地研究鱼类皮肤免疫应答的分子调控机制奠定基础。迄今为止,针对鱼类皮肤免疫应答的蛋白质组学研究尚处于起步阶段[44,51],还有许多问题有待研究解决。例如:对鱼类皮肤免疫相关分子细胞学基础及分子机制仍不清晰;此外,鱼类皮肤免疫应答的蛋白质组学与转录组学、代谢组学等关联分析研究,亟待研究解决。近几年,笔者较早进行了模式生物斑马鱼皮肤免疫应答的蛋白质组学方面研究工作,值得进一步深入开展相关研究。

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ProteomicsandImmuneResponsesinSkinofFish

LÜ Aijun1, HU Xiucai1, SUN Jingfeng1, SHI Hongyue1, CHEN Chengxun1, LI Li2, KONG Xianghui2

( 1. Tianjin Key Lab of Aqua-Ecology and Aquaculture,College of Fisheries,Tianjin Agricultural University,Tianjin 300384, China; 2. College of Fisheries, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China )

fish; skin; immune response; proteomics

10.16378/j.cnki.1003-1111.2016.03.020

C

0302-06

1003-1111(2016)03-

2015-07-20;

2015-11-10.

国家自然科学基金资助项目(31272692);天津市应用基础与前沿技术研究重点项目(15JCZDJC34000).

吕爱军 (1973—),男,教授;研究方向:水产动物微生物及免疫学.E-mail:lajand@126.com.

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