甲壳动物免疫系统网络关系模型

王孟孟,王慧欣,郭林豪,马寨璞,管越强

(河北大学 生命科学学院，河北 保定 071002)



甲壳动物免疫系统网络关系模型

王孟孟,王慧欣,郭林豪,马寨璞,管越强

(河北大学 生命科学学院，河北 保定 071002)

对甲壳动物免疫反应各过程进行了归纳、总结,绘出了各免疫分支途径图.统计了多种免疫刺激剂对整个免疫系统路径的影响作用.最后,合并各分支途径,构建了甲壳动物免疫防御的整体系统图.该图中各免疫刺激剂对其免疫反应的作用和影响更加具体、简明,为研究免疫刺激的路径机制和系统评价机体免疫水平提供形象直观的依据.

甲壳动物；免疫系统；免疫刺激剂

水产养殖业的迅速发展,对如何提高甲壳动物免疫能力,以应对更加复杂的生存环境提出了新要求.目前，在甲壳动物免疫应答能力的研究中,多数学者针对部分免疫因子及部分免疫途径进行了研究,如Deng等[1]研究了多糖类物质对于凡纳滨对虾生长、免疫和抗氧化能力的影响，但部分免疫指标的显著变化,并不意味着机体的免疫状态或对病害抵抗力有较大改变.免疫防病的本质,不体现在单个免疫指标水平的变化上,而是要提高整个机体的免疫灵敏性和平衡性.甲壳动物免疫系统中,各免疫因子以及各免疫途径之间的相互影响异常复杂,涉及到多层次、多因子的参与.随着研究的深入,新文献层出不穷,为甲壳动物的免疫系统研究提供了更多的依据.本文通过查阅国内外最新的文献,重新梳理了甲壳动物免疫系统途径,并构建出甲壳动物免疫系统网络关系模型.同时,对于各种免疫刺激剂的作用进行统计分析,并将其免疫促进或抑制作用标示在图中,为甲壳动物免疫防御的深入研究提供了整体框架.

1 血细胞类别及主要功能

甲壳动物的免疫防御系统属于非特异性免疫系统，其免疫反应的过程离不开血细胞的参与.根据血细胞中有无颗粒及颗粒大小把其分为3类:透明细胞(HC)、小颗粒细胞(SGC)和大颗粒细胞(GC)[2].3种细胞行使各自的免疫功能,相互协作、相互影响,共同执行免疫系统的免疫反应.

2 免疫系统分支途径及各因子的影响作用

2.1 吞噬作用

在多数甲壳动物中,透明细胞主要参与吞噬活动.在直径较小的外源异物(如生物大分子、真菌、细菌等)入侵机体时，单细胞独自对其进行吞噬作用.其过程主要包括免疫识别、黏附、吞噬、集聚、异物消灭等[5-6].吞噬作用的杀菌机制主要分为氧化性杀菌和非氧化性杀菌.

2.1.1 氧化性杀菌机制

氧化性杀菌机制是指吞噬过程中伴有呼吸爆发现象出现,并产生具有强大杀菌作用的活性氧(ROS)的过程[3-4].主要反应:

然而活性氧自由基(ROIs)的积累也会对机体造成损害.机体本身利用体内的抗氧化酶系的协同作用来清除活性氧自由基.机体内关键性的抗氧化酶系主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)等.

2.1.2 非氧化性杀菌机制

在甲壳动物免疫中,非氧化性杀菌机制主要指外来异物入侵机体，血细胞对其选择性的吞噬或包囊,溶酶体与外来的异物融合,诱发脱颗粒现象，溶酶体内的各种酶类将非己异物直接杀死的过程[5].吞噬作用是由溶菌酶(LSZ)、酸性磷酸酶(ACP)、碱性磷酸酶(AKP)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、酚氧化酶(PO)等构成的多酶系统来完成的[3-5].

根据上述基本过程及反应路径,绘制吞噬作用的免疫反应图(图1).

图1 吞噬作用Fig.1 Phagocytosis

2.2 包囊作用与结节形成

当直径较大的异物或细菌超过单个细胞的吞噬作用能力时，甲壳动物颗粒细胞对异物包围聚集成团,产生黑色素,引发黑化反应,将外来异物杀死的过程为包囊作用[6-7].结节形成是指甲壳动物将细胞外入侵物截留形成血细胞聚集体的过程.根据上述的作用过程,绘制包囊作用与结节形成的免疫反应图(图2).

2.3 伤口修复

甲壳动物的伤口修复主要过程与人类相一致,都是通过多个过程来完成的.外壳是保护甲壳动物的最基本的物理屏障,一旦出现伤口,其修复的基本过程如下：1)血细胞对伤口进行浸润处理；2)产生包囊作用,并分泌黑色素；3)胶原纤维沉积；4)透明细胞进行吞噬作用；5)上皮细胞再生形成新表皮[8].根据上述过程,绘制修复作用的免疫反应图(图3).

图2 包囊作用与结节形成Fig.2 Encapsulation and nodule formation

图3 伤口修复作用Fig.3 Wound repairing effect

2.4 凝血反应和凝集反应

甲壳动物的凝血反应主要是由谷氨酰胺转移酶(TGase)和凝结蛋白(CP)组成的血淋巴凝结级联反应[9-10].凝集反应主要是由凝集素参与介导的，是甲壳动物透明细胞的主要免疫反应之一；其主要作用机制为血细胞通过凝集素与外来异物结合,凝集成团,从而使其失去侵染机体其他部分和组织扩散的能力.根据上述作用过程,绘制凝血反应和凝集反应的免疫作用图(图4).

2.5 酚氧化酶原激活系统(proPO-AS)杀菌机制

酚氧化酶原激活系统在整个甲壳动物免疫系统中占据着最重要的调控作用,proPO-AS是由模式识别蛋白、丝氨酸蛋白酶、酚氧化酶原、细胞黏附蛋白以及α2-巨球蛋白等组成的复杂酶级联系统[10-11].模式识别蛋白识别并结合细菌等病原体,诱导产生丝氨酸蛋白酶，丝氨酸蛋白酶可激活酚氧化酶原激活酶原(proPPA)，转化为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可参与一系列的免疫催化反应,生成黑色素,进而杀死病原体.根据上述过程,绘制酚氧化酶原免疫反应图(图5).

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

图5 酚氧化酶原激活系统Fig.5 Prophenoloxidase activation system

2.6 抗菌肽杀菌机制

抗菌肽是甲壳动物中重要的免疫防御因子,为宿主应对各种病原体入侵的分子屏障[12].研究表明,抗菌肽对细菌、真菌和病毒均具有杀伤作用.

2.7 其他免疫途径

溶血素也是甲壳动物重要的免疫因子之一.溶血素能够与外来异物结合,同时溶解破坏靶细胞膜,从而达到清除和杀灭病原微生物的目的[13].此外，溶血素还可能参与调理酚氧化酶原激活系统.

3 免疫刺激剂的分类及作用机制分析

3.1 免疫多糖

免疫多糖是一类免疫增强剂,包括多种多糖如葡聚糖、真菌多糖、细菌多糖等.免疫多糖的作用机制[1,14-16]:甲壳动物具有多种结合和受体蛋白,如脂多糖受体蛋白、葡聚糖受体蛋白等,受体蛋白可识别并结合特定的免疫多糖,从而诱发酚氧化酶原激活系统，产生酚氧化酶,催化生成黑色素,进而杀灭入侵的病原体;同时,免疫多糖还可以刺激颗粒细胞产生脱颗粒现象,释放的免疫活性物质可增强血细胞的吞噬活性,从而消灭病原体(图6).

3.2 中草药和维生素类

中草药对于人类疾病的治疗和防御具有重要作用.同样,一定量的中草药也可提高甲壳动物免疫能力.如陈皮、甘草等中草药能够诱导溶血素和凝集素的产生,提高其在血清中的浓度,从而增强其免疫功能[17].饲料中添加Vc能增强甲壳动物的耐缺氧能力,同时吞噬率和抗菌活性也大大增强[18].有研究表明[18]Vc自身在其体内发挥了抗氧化的作用,用以维持自身自由基产生和清除的平衡,促进新陈代谢.

3.3 环境胁迫

图6 免疫多糖的作用机制路径Fig.6 Mechanism pathes of immunopolysaccharide

图7 氨氮代谢过程及免疫影响Fig.7 Metabolism and immune impact of the ammonia

3.4 其他

目前,对于免疫刺激剂的研究还不够全面,主要针对于免疫多糖和环境胁迫,除此之外,还有许多因素影响甲壳动物的免疫水平.例如:有机污染物、噪声污染、光照等外界因素,也会对甲壳动物免疫力产生影响.

4 甲壳动物免疫系统网络关系模型图的构建

在参考了部分学者对部分免疫途径概括的基础上,根据以上免疫分支途径以及免疫刺激剂对免疫系统的影响,构建了整体的甲壳动物免疫系统网络关系模型,其中标明了免疫因子及刺激剂的促进或抑制作用,该作用均来自于实验[1,15-22]，如图8.

图中对免疫刺激剂或环境因子不明确的促进或抑制作用不做考虑；免疫因子的浓度均是影响明显的最适浓度,个别机体的免疫反常应答在图中不做标示.文中英文符号:β葡聚糖结合蛋白(βGBP),脂多糖结合蛋白(LGBP),肽聚糖结合蛋白(PGBP),细胞黏附因子(76 ku),乙二胺四乙酸(EDTA),过氧化氢酶(CAT)，脂多膅(LPS),过氧亚硝酸盐阴离子(ONOO-).图8 甲壳动物免疫系统主要途径总图Fig.8 Main paths of crustacean immune system

纵观全图(图8),在甲壳动物免疫系统作用途径中,参与反应的物质有多种;涉及的主要免疫过程9个；杀死病原体的目标途径有4个；反应流程与物质生成中,促进作用22个,抑制作用13个.

5 总结

甲壳动物免疫系统错综复杂,各免疫分支途径之间相互协调合作,共同维持整个免疫系统的高效而稳定.1)根据对甲壳动物免疫的最新国内外文献研究,对各免疫途径归纳整理,抽象出免疫分支路径图,并作出甲壳动物免疫系统网络模型图,使得整个免疫系统机制及各因子影响作用更加明确、简明；2)搜集和分析部分免疫增强剂及免疫抑制剂对于甲壳动物免疫系统的影响,更加直观地呈现出免疫刺激剂对各免疫路径的影响作用,对研究其免疫作用机理具有重要的作用.3)构建的甲壳动物免疫系统网络模型为进一步利用系统生物学研究机体整体免疫力提供了保障.但是,对于部分系统分支数据的研究尚缺乏,个别免疫刺激剂的促进或抑制作用不够明确，整个系统缺乏一个动态有效的免疫反应状态,需要进一步探讨;免疫途径及因子与免疫刺激剂之间的作用关系将进一步阐明.

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(责任编辑：赵藏赏)

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

河北省科技攻关计划项目(06276902B)

王孟孟(1990—),男,山东济宁人,河北大学在读硕士研究生.940021852@qq.com

马寨璞(1970—),男,河北保定人,河北大学教授,主要从事生态模型及生物计算研究.E-mail:zhaipuma@hbu.edu.cn

10.3969/j.issn.1000-1565.2017.03.010

S945

A

1000-1565(2017)03-0281-06