谷氨酰胺对水生动物免疫的影响及机理

许友卿 李伟峰 丁兆坤

(广西大学水产科学研究所，南宁 530004)

在应激、受伤、疾病等状态下，机体对谷氨酰胺(glutamine，Gln)的需要量大大提高，而自身合成不能满足需要，必须添加外源Gln［1］。因此，Gln是机体发生应激、受伤、疾病时的条件必需氨基酸［2］。具有α－酮戊二酸碳架结构的Gln可通过体细胞三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TCA)氧化供能，同时它又是核苷酸、谷氨酸和谷胱甘肽(glutathione，GSH)生物合成的前体［3－4］。Gln 还能减少促炎症细胞因子的表达，改善肠道屏障功能，改进免疫细胞功能，提高应激反应能力［5］。在机体中，尤其是血浆中，Gln是最丰富的游离α－氨基酸［6］，也是免疫细胞和肠道黏膜细胞的重要燃料和代谢前体［7］，具有促进肠道黏膜修复、淋巴细胞增殖、巨噬细胞分裂和分化的作用，在调节免疫功能方面具有重要意义［8］。

目前，对于Gln的研究主要集中在人和陆生动物上，在水生动物上的研究较少。随着海洋科学和水产养殖业的发展，加强Gln在水生动物上的应用研究是历史使然。因此，本文将围绕Gln对水生动物免疫的影响及机理进行综述，旨在促进Gln在水生动物上的研究及科学应用。

1 Gln对水生动物免疫的影响

1.1 Gln对水生动物体液免疫的影响

Gln对B淋巴细胞转化、浆细胞形成和免疫球蛋白(immunoglobulin，Ig)合成与分泌有明显的促进作用。补充Gln能增加肠内淋巴细胞中谷氨酰胺酶(glutaminase)的活性，从而增加对Gln的利用，有效维护淋巴细胞的功能，促进浆细胞生成分泌型免疫球蛋白A(secretory immunoglobulin A，SIgA)，对防治创伤后肠道细菌和毒素的移位具有重要意义［9］。在饲料中补充 Gln能缓解脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)的毒性及其对细胞免疫功能的抑制，刺激中华鳖(Pelodiscus sinensis)血浆IgM含量上升，并显著促进肠道类SIgA的分泌［10］。

血清白蛋白(albumin，ALB)的主要功能是维持渗透压平衡，而球蛋白(globulin，GLB)则与机体免疫功能密切相关。饲料中添加Gln能显著提高杂交幼鲟(Acipenser schrenckii×Huso dauricus)血清总蛋白(total protein，TP)和GLB含量，当添加 1.0% 丙氨酰谷氨酰胺［N(2)－L－alanyl－L－glutamine，Ala－Gln］时，GLB 含量的提高效果最佳，但是对ALB含量的影响不显著［11］。

Ala－Gln可显著提高试验对象的非特异性免疫防御能力。饲料中添加Ala－Gln可显著提高日本对虾(Penaeus japonica)的血清溶菌酶、抗氧化酶及磷酸酶活性，降低肝胰腺细胞凋亡率，增加肠绒毛高度，改善虾体健康状况［12］。

1.2 Gln对水生动物细胞免疫的影响

前已述及，Gln不仅是活细胞新陈代谢的燃料之一，而且是核苷酸等生物合成的前体。因此，Gln对细胞的增殖具有重要的作用。Rosenberg－Wiser等［13］研究表明，在鲤鱼(Cyprinus carpio)白细胞与植物血球凝集素(phytohemagglutinin，PHA)的反应中，Gln可促进白细胞的增殖。饲料中补充Gln可显著升高中华鳖CD4+/CD8+和T淋巴细胞转化率，表明Gln可增强中华鳖的细胞免疫功能［14］。添加Gln影响外周血中白细胞的总量和各种白细胞的数量，可能与Gln促进细胞分裂相关，因为Gln可为嘧啶和嘌呤提供氮源［15］。

1.3 Gln对水生动物抗氧化应激的影响

乳酸脱氢酶(lactic dehydrogenase，LDH)、丙二醛(malondialdehyde，MDA)和蛋白质羧基化合物均是反映机体氧化损伤的指标。研究发现，Gln能阻止受H2O2刺激建鲤(Cyprinus carpio var.Jian)对 LDH、MDA和蛋白质羧基化合物的释放［16］。当机体内活性氧(reactive oxygen species，ROS)浓度超过细胞的抗氧化能力时，会发生氧化应激，导致脂质、DNA和蛋白质氧化损伤［17］，使多种细胞凋亡［18］。机体内超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH－Px)在清除自由基氧化损伤和维持细胞结构方面起着重要作用。在应激状态下，血液中SOD、GSH－Px活性降低，脂质过氧化物MDA含量升高。Xu等［19］研究表明，在饲料中添加Gln可以提高杂交幼鲟肝脏和肠道组织中GSH－Px、SOD活性，降低 MDA含量。GSH是主要的内生抗氧化剂，能保护细胞免受氧化应激。GSH/氧化型谷胱甘肽(oxidized glutathione，GSSG)是细胞内主要的氧化还原缓冲对，也是细胞内氧化还原环境的代表性指标，细胞内氧化还原状态的变化在很大程度上受到GSH与GSSG比例的影响［20］。GSH含有1个极易被氧化的巯基，能有效清除 ROS［21］，而 Gln 是 GSH 的代谢前体［21－22］，不但可以调节GSH合成，还影响GSH与GSSG的比例，具有提高谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase，GR)活性的能力［16］。研究发现，Gln 能阻止H2O2降低 SOD、过氧化氢酶(catalase，CAT)、GSH－Px、GR、谷胱甘肽 S － 转移酶(gultathione S transferase，GST)活性，GSH含量以及 GSH与GSSG比例，从而有效地保护建鲤肠道上皮细胞免受H2O2诱导的氧化应激［16］。适量添加Gln可以提高哲罗鱼(Hucho taimen)仔鱼肠道抗氧化应激的能力［23］。添加0.75%Ala－Gln 能够显著增加哲罗鱼仔鱼肠道Gln、谷氨酸含量，提高肠道脂肪酶和 Na+，K+－ATP 酶活性，大大降低 MDA 含量［24］。补充外源 Gln可提高草鱼(Ctenopharyngodon idellus)小肠黏膜中GSH含量和CAT活性，降低 MDA 含量［25］。

1.4 Gln对水生动物抗病力的影响

当水生动物处于应激状态或患病时，体内循环的Gln水平会下降。硬骨鱼的免疫系统依赖Gln作为能源和合成核苷酸，已在斑点叉尾(Ictalurus punctatus)肝脏、肾脏和鳃组织上检测到Gln合成酶的存在［26］。Gln是细胞凋亡的抑制剂，有助于阻止由外源因子或细胞内刺激诱导的细胞凋亡［27］。研究表明，饲料中添加Gln可提高用嗜水气单胞菌(Aeromonas hydropila)攻毒的全雄奥尼罗非鱼(Oreochromis niloticus×O.Aureus)的存活率［28］。

2 Gln的免疫调节机理

2.1 Gln通过供能和抗氧化作用影响免疫调节

Gln是机体和血浆中最丰富的游离α－氨基酸［6］，是免疫细胞的重要燃料和代谢前体［7］，能刺激线粒体三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)的形成［29］，促进免疫细胞的生长和增殖。Gln缺乏可导致ROS合成增加，进而使线粒体内的GSH消耗增加，损害线粒体功能，减少细胞内ATP的产生，从而延缓细胞增殖，减少细胞因子的产生，使细胞凋亡增加。GSH在免疫系统抗感染和炎症反应中发挥着重要作用［30］，而Gln是合成GSH的前体［3］。肠道组织中富含 L－Gln的大鼠，可有效抑制体内一氧化氮(nitric oxide，NO)的合成［31］和过氧化物的产生［32］。

2.2 Gln通过热休克蛋白(heat shock proteins，HSPs)影响免疫调节

HSPs是应激条件下细胞存活的一组必需蛋白质，具有高度的保守性，属于多基因家族，分子质量在10～105 ku之间，广泛存在于各种生物体的细胞内［33］。HSPs具有调节免疫、调节炎症、抑制细胞凋亡、抗氧化及改善组织代谢等多种保护作用［14］。应激诱导的HSP70和HSP72是诱导形式的应激蛋白质，其功能是防止蛋白质凝集和促进蛋白质折叠，可能对细胞具有保护作用［34］。用腺病毒表达的HSP72治疗脓毒症诱导的急性肺损伤时，HSP72可限制核因子(nuclear factor，NF) － κB(一种重要的调节多种促炎症因子表达的转录因子和免疫调节分子)活化，阻止肺损伤［35］。而Gln能提高肺巨噬细胞和上皮细胞HSP70和HSP72的表达［36］，具有显著的防脓毒损伤作用［37］。Gln可能通过提高白细胞［38－39］、单核细胞［40］和粒细胞［33］内HSPs的表达，对危重病人产生有利影响。

2.3 Gln通过影响相关基因的表达影响免疫调节

Gln可通过影响相关基因的表达而提高免疫功能。Gln可调节多种代谢相关基因的表达、信号转导、细胞防御和修复，还可激活细胞内信号路径［41］。在饲粮中添加Gln能增加仔猪肠道细胞生长和氧化物清除基因的表达，同时降低促氧化应激和免疫激活基因的表达［36］。但是，目前少见Gln对水生动物基因表达影响方面的研究。

3 小结

综上所述，Gln在水生动物的免疫调节方面具有重要作用。然而，Gln对水生动物免疫调节的机理还有待进一步阐明。今后应加强Gln对水生动物免疫影响的研究，尤其要用现代分子生物学技术加强Gln对水生动物免疫影响及机理的研究，从分子生物学水平阐明Gln的免疫调节机理。

［1］ FLARING U B，ROOYACKERS O E，WERNERMAN J，et al.Glutamine attenuates post－traumatic glutathione depletion in human muscle［J］.Clinical Science，2003，104:275 －282.

［2］ EL－SHEIKH N M，KHALIL F A.L－arginine and L－glutamine as immunonutrients and modulating agents for oxidative stress and toxicity induced by sodium nitrite in rats［J］.Food and Chemical Toxicology，2011，49:758－762.

［3］ BABU R，EATON S，DRAKE D P，et al.Glutamine and glutathione counteract the inhibitory effects of mediators of sepsis in neonatal hepatocytes［J］.Journal of Pediatric Surgery，2001，36(2):282 －286.

［4］ SHANWARE N P，MULLEN A R，DEBERARDINIS R J，et al.Glutamine:pleiotropic roles in tumor growth and stress resistance ［J］.Journal of Molecular Medicine，2011，89(3):229 －236.

［5］ YIN F，JIANG W，GUAN S，et al.Glutamine and animal immune function［J］.International Journal of Food，Agriculture and Environment，2010，8(1):135－141.

［6］ CREMIN J D，FLEMING S E.Glycolysis is a source of pyruvate for transamination of glutamine amino nitrogen in jejunal epithelial cells［J］.American Journal of Physiology，1997，272(3):G575 － G588.

［7］ LIN C M，ABCOUWER S F，SOUBA W W.Effect of dietary glutamate on chemotherapy－induced immunosuppression［J］.Nutrition，1999，15(9):687 － 696.

［8］ 徐洋，夏俊，方丽华.添加精氨酸和谷氨酰胺的胃肠外营养对肝癌术后患者细胞免疫状态的影响［J］.中国生化药物杂志，2011，32(1):63－65.

［9］ KUDSK K A，WU Y，FUKATSU K，et al.Glutamineenriched total parenteral nutrition maintains intestinal interleukin－4 and mucosal immunoglobulin A levels［J］.Journal of Parenter Enteral Nutrition，2000，24(5):270－275.

［10］ 温安祥，周定刚.谷氨酰胺对内毒素刺激下中华鳖免疫功能和生产性能的影响［J］.动物营养学报，2011，23(4):662－669.

［11］ 朱青，许红，徐奇友，等.谷氨酰胺对幼鲟鱼血清、肝胰脏生化指标及体成分的影响［J］.水产学杂志，2010，23(2):16 －20.

［12］ 叶均安，王冰心，孙红霞，等.谷氨酰胺二肽对日本对虾血清生化指标、肝胰腺细胞凋亡及肠黏膜形态的影响［J］.海洋与湖沼，2009，40(3):347－352.

［13］ ROSENBERG－WISER S，AVTALION R R.The cells involved in the immune response of fish.Ⅲ.Culture requirements of PHA－stimulated carp (Cyprinus carpio)lymphocytes［J］.Developmental and Comparative Immunology，1982，6(4):693 －702.

［14］ 温安祥.谷氨酰胺缓解中华鳖免疫应激反应作用机理的研究［D］.博士学位论文.雅安:四川农业大学，2008:73－74.

［15］ ELIASEN M M，WINKLER W，JORDAN V，et al.A－daptive cellular mechanisms in response to glutaminestarvation［J］.Frontiers in Bioscience，2006，11:3199－3211.

［16］ CHEN J，ZHOU X，FENG L，et al.Effects of glutamine on hydrogen peroxide－induced oxidative damage in intestinal epithelial cells of Jian carp(Cyprinus carpio var.Jian) ［J］.Aquaculture，2009，288:285 －289.

［17］ KOHEN R，NYSKA A.Oxidation of biological sys－tems:oxidative stress phenomena，antioxidants，redox reactions，and methods for their quantification［J］.Toxicologic Pathology，2002，30(6):620 －650.

［18］ RAU M A，WHITAKER J，FREEDMAN J H，et al.Differential susceptibility of fish and rat liver cells to oxidative stress and cytotoxicity upon exposure to prooxidants［J］.Comparative Biochemistry and Physiology，2004，137(4):335 －342.

［19］ XU Q，ZHU Q，XU H，et al.Dietary glutamine supplementation improves growth performance and intestinal digestion/absorption ability in young hybrid sturgeon(Acipenser schrenckii♀×Huso dauricus)［J］.Journal of Applied Ichthyology，2011，27(2):721－726.

［20］ SIES H.Glutathione and its role in cellular functions［J］.Free Radical Biology and Medicine，1999，27:916－921.

［21］ JOHNSON A T，KAUFMANN Y，LUO S，et al.Gut glutathione metabolism and changes with 7，12－DMBA and glutamine［J］.Journal of Surgical Research，2003，115(2):242 －246.

［22］ ALTEHELD B，EVANS M E，GU L H，et al.Alanylglutamine dipeptide and growth hormone maintain PepT1－mediated transport in oxidatively stressed caco－2 cells［J］.The Journal of Nutrition，2005，135(1):19－26.

［23］ 徐奇友，王常安，许红，等.饲料中添加谷氨酰胺二肽对哲罗鱼仔鱼肠道抗氧化活性及消化吸收能力的影响［J］.中国水产科学，2010，17(2):351－356.

［24］ 徐奇友，王常安，许红，等.丙氨酰－谷氨酰胺对哲罗鱼仔鱼生长和抗氧化能力的影响［J］.动物营养学报，2009，21(6):1012 －1017.

［25］ 朱选，曹俊明，赵红霞，等.饲料中添加谷胱甘肽对草鱼组织中谷胱甘肽沉积和抗氧化能力的影响［J］.中国水产科学，2008，15(1):160 －166.

［26］ WILSON R P，FOWLKES P L.Activity of glutamine synthetase in channel catfish tissues determined by an improved tissue assay method［J］.Comparative Biochemistry and Physiology，1976，54(3):365 －368.

［27］ MATÉS J M，PÉREZ－GÓMEZ C，DE CASTRO I N，et al.Glutamine and its relationship with intracellular redox status，oxidative stress and cell proliferation/death［J］.The International Journal of Biochemistry ＆Cell Biology，2002，34(5):439 －458.

［28］ 杨奇慧，周歧存，谭北平，等.谷氨酰胺对杂交罗非鱼生长、饲料利用及抗病力的影响［J］.中国水产科学，2008，15(6):1016 －1023.

［29］ PIVA T J，MCEVOY B E.Oxidation of glutamine in HeLa cells:role and control of truncated TCA cycles in tumour mitochondria［J］.Journal of Cellular Biochemistry，1998，68(2):213 －225.

［30］ HADDAD J J，HARB H L.L－γ－glutamyl－L－cysteinylglycine(glutathione;GSH)and GSH－related enzymes in the regulation of pro－ and anti－inflammatory cytokines:a signaling transcriptional scenario for redox(y)immunologic sensor(s)? ［J］. Molecular Immuno1ogy，2005，42(9):987 －1014.

［31］ HOUDIJK A P，VISSER J J，RIJNSBURGER E R，et al.Dietary glutamine supplementation reduces plasma nitrate levels in rats［J］.Clinical Nutrition，1998，17(1):11－14.

［32］ LIU P，HOCK C E，NAGELE R，et al.Formation of nitric oxide，superoxide，and peroxynitrite in myocardial ischemia－reperfusion injury in rats［J］.American Journal of Physiology，1997，272(5):H2327 －H2336.

［33］ GANTER M T，WARE L B，HOWARD M，et al.Extracellular heat shock protein 72 is a marker of the stress protein response in acute lung injury［J］.American Journal of Physiology Lung Cellular and Molecular Physiology，2006，291(3):L354 － L361.

［34］ OEHLER R，PUSCH E，ZELLNER M，et al.Cell type－specific variations in the induction of hsp70 in human leukocytes by feverlike whole body hyperthermia［J］.Cell Stress and Chaperones，2001，6(4):306－315.

［35］ WEISS Y G，BROMBERG Z，RAJ N，et al.Enhanced heat shock protein 70 expression alters proteasomal degradation of IkappaB kinase in experimental acute respiratory distress syndrome［J］.Critical Care Medicine，2007，35(9):2128 －2138.

［36］ WANG J，CHEN L，LI P，et al.Gene expression is altered in piglet small intestine by weaning and dietary glutamine supplementation［J］.The Journal of Nutrition，2008，138:1025 －1032.

［37］ SINGLETON K D，SERKOVA N，BANERJEE A，et al.Glutamine attenuates endotoxin－induced lung metabolic dysfunction:potential role of enhanced heat shock protein 70［J］.Nutrition，2005，21:214 －223.

［38］ SINGLETON K D，SERKOVA N，BECKEY V E，et al.Glutamine attenuates lung injury and improves survival after sepsis:role of enhanced heat shock protein expression［J］.Critical Care Medicine，2005，33:1206－1213.

［39］ MORRISON A L，DINGES M，SINGLETON K D，et al.Glutamine’s protection against cellular injury is dependent on heat shock factor－1［J］.American Journal Physiology Cell Physiology，2006，290:C1625 －C1632.

［40］ ELIASEN M M，BRABEC M，GERNER C，et al.Reduced stress tolerance of glutamine－deprived human monocytic cells is associated with selective down－regulation of Hsp 70 by decreased mRNA stability［J］.Journal of Molecular Medicine，2006，84(2):147 －158.

［41］ CURI R，NEWSHOLME P，PROCOPIO J，et al.Glutamine，gene expression，and cell function［J］.Frontiers in Bioscience，2007，12:344－357.