家禽细胞因子

对家禽细胞因子的研究有助于深入 了解家禽免疫发生、调控和效应的机制,促进家禽细胞因子在生产上的应用。本文概述了禽类细胞因子的一些基本特性以及其抗病毒作用的研究进展。

早在1932年Rich和Lewis根据中性粒细胞与巨噬细胞经结核菌素致敏后移动受到抑制,提出了细胞能产生可溶性物质介导生物活性的观点[1],人们就开始了对细胞因子的研究。细胞因子(Cytokine)是一类主要由免疫细胞产生的极微量的具有广谱生物学活性的小分子肽,它既不属于免疫球蛋白,也不属于激素。细胞因子包括白细胞介素(interleukin,IL)、干扰素(interferon,IFN)、转化生长因子-β(trans-forming growth factor-β family,TGF-β family)、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)、集落刺激因子(colony stimulating factor,CSF)、趋化因子家族(chemokinefamily)等,不同细胞因子相互协同、制约,构成共同的网络系统,对维持机体免疫系统的平衡及功能发挥着重要意义。与人和哺乳动物比较,禽类细胞因子的研究还很局限,但两者细胞因子的功能和活性具有相似点,如在哺乳动物中发现的许多细胞因子和趋化因子也存在于鸡的体内;也存在一定的差异,如鸡的有些细胞因子和趋化因子的多基因家族成员要少于哺乳动物中相同的家族[2],而这些多基因家族成员的缺失则可以解释禽类免疫系统的器官和细胞与哺乳动物的基本差异。随着细胞因子研究的继续,哺乳动物细胞因子的新成员仍在被发现,包括白细胞介素-1(IL-1)、白细胞介素-10(IL-10)和白细胞介素-17(IL-17)的新成员;同时禽类细胞因子的种类及其功能也不断有新的发现,其抗病毒方面的作用引起研究者们的重视。到目前为止,已发现禽类感染病毒后所产生的多种细胞因子在体内或体外有抑杀病毒的作用,有的可能通过加剧病毒感染部位的病理损伤程度,有的可能兼具损伤和免疫生理的双重作用。其中研究最多的是白介素类(IL)、干扰素(IFN)、转移生长因子-β(TGF-β)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)这几类。

1、白细胞介素

白细胞介素通过结合到细胞表面的受体来传递复杂的分子信号,可作用于多种细胞,可诱导其他基因的表达或关闭,从而发挥广泛的生物学活性。IL的种类很多,但到目前为止,只有少数禽的白细胞介素得到纯化,少数基因被克隆,其中研究较多的有IL-1、IL-2、IL-8,这些IL在抗病毒感染过程中发挥一定的作用。现在已经有4个IL-1家族成员被克隆,并在鸡中进行了鉴定,其中IL-1β和IL-18均在炎症反应中有作用,且必须经切割后才能结合相应受体,其无活性的IL-1β前体(pro-IL-1β)和IL-18前体(pro-IL-18)经半胱天冬酶(Caspase-1)水解切割后,产生成熟而有生物活性的分子[4]。白细胞介素IL-18,也称为IFN-γ诱导因子,是属于IL-1家族的促炎细胞因子[3],主要由巨噬细胞、树突细胞及上皮细胞分泌,在未感染疾病的情况下,人腹膜巨噬细胞和小鼠脾脏均含有IL-18前体[5]。重组鸡IL-18(ChIL-18)具有抗禽流感病毒的免疫调节和抗病毒特性[6]。有研究将一种沙门菌疫苗株并结合鸡IFN-α(ChIFN-α)和ChIL-18联合使用,认为能有效防控鸡H9N2亚型禽流感病毒[7],并且许多研究表明,重组ChIL-18可增强对禽流感疫苗的免疫反应[2,4,8,9]。ChIL-18的应用可能是一种保护鸡免受禽流感和新城疫病毒株的新方法[4]。IL-18可以激活NK细胞溶解活性以响应痘病毒和小鼠巨细胞病毒感染所必需的,并且在抗病毒防御中发挥关键作用[10]。IL-18也可能通过调解感染和炎症性疾病的严重程度[10]在先天免疫反应的启动中发挥重要作用。另有研究表明,IL-18具有一定的抗IBDV的生物活性[12]。可见IL-18有加强机体免疫力的潜力,具有一定的临床应用前景。在其他白介素对抗禽流感病毒的研究中,IL-1β可激活Toll样受体(TLR)-7信号传导途径进而引发针对禽流感病毒的抗病毒反应[16]。鸭IL-8也可用作良好的免疫刺激剂以增强鸭禽流感疫苗的免疫效率[17]

IL-2作为细胞因子可增强单核细胞及NK细胞的杀伤活性[13],同时促进T、B淋巴细胞的增殖和分化,从而发挥抗病毒作用[14]。有研究已经证实重组IL-2具有较强的免疫刺激作用和免疫协同作用,重组鸡白细胞介素-2(ChIL-2)可增强了DNA疫苗对IBDV的免疫原性[15]。白细胞介素2在免疫调节、抗感染等方面的独特作用,使其作为疫苗佐剂和临床药物成为了可能。但与人和哺乳动物IL-2的深入研究相比,对鸡IL-2的研究仍显不足,主要原因有:其一是因为至今还没发现鸡CD4+T细胞的TH1和TH2亚群的存在;其二是由于鸡淋巴细胞因子(包括IL-2)的种属特异性较强,使得在人和哺乳动物IL-2研究中的一些技术和方法无法有效地类推应用于鸡上。

2、干扰素

1957年Isaacs等发现干扰素(Interferon,IFN)以来,干扰素的研究和应用已涉及到生命科学的各个领域。在病毒感染早期,机体主要通过细胞因子(如TNF-α和IL-12,IFN)和NK细胞行使抗病毒作用,其中干扰素(Interferon,IFN)是动物机体抗病毒抵抗力的主要因子。干扰素作为一种天然的非特异性防御因素,具有广谱的抗病毒作用,在入侵部位的细胞产生的干扰素,可渗透到邻近细胞而限制病毒向四周扩散和进一步感染,但对已被感染的细胞没有帮助。禽类干扰素具有相对的种属性,可抑制多种禽类病毒的繁殖,且还有抗寄生虫活性和免疫调节功能。

IFN分为三种类型,Ⅰ型IFN由受病毒和诱导剂作用下的白细胞、成纤维细胞以及病毒感染细胞产生,主要包括IFN-α、IFN-β等;Ⅱ型IFN由活化的T细胞和NK细胞产生,具有免疫调节作用,主要包括IFN-γ;IFN-α有加剧IBDV感染的细胞的凋亡,从而达到抵抗病毒的作用[19]。IFN通过结合细胞膜受体,最终诱导产生各种抗病毒蛋白(Antiviral protein,AVP)从而发挥直接抗病毒作用,常见的AVP包括Mx(Myxovirus resistance),OAS(Oligoadeny-latesyntheras),IFITM(Interferon-induced trans-membrane proteins),ZAP(Zinc-finger antiviral protein)等,其中Mx蛋白由Ⅰ型IFN和Ⅱ型IFN诱导产生,可抑制某些病毒初转录或核蛋白转运等复制周期的早期阶段,促进细胞内稳定的抗病毒状态,尤其是正黏病毒[20]。Mx蛋白,其具有一定的抗RNA和DNA病毒活性,但对某些病毒和毒株缺乏抗病毒活性,如人MxA蛋白对禽源流感病毒株比对人源流感株更敏感[20]。IFITM蛋白能抑制病毒进入细胞质,尤其是一些与核内体或溶酶体融合的囊膜病毒[22],也可以限制那些与胞质膜和内吞噬囊泡融合的病毒[23]。有研究表明鸡IFITM3能够抗甲型流感病毒(IAV),研究人员将鸡成纤维细胞中的IFITM3基因敲除后,鸡对流感病毒的易感性增加[24]。此外,鸭IFITM3能抗甲型流感病毒,但却不能抵抗肠炎病毒[25]。Ⅲ型干扰素由上皮样细胞产生,主要是IFN-λs,包括IFN-λ1、IFN-λ2、IFN-λ3,不仅具有Ⅰ型干扰素类似的抗病毒活性,而且具有Ⅱ型干扰素的免疫调节功能,能够诱导机体产生多种与IFN-γ相关的趋化因子和调节因子,有着替代Ⅰ型和Ⅱ型干扰素的潜在价值[26]。但对于Ⅲ型干扰素的生物特性、作用机制和应用效果等还未完全解析。

3、转移因子

转移因子(TF),是一种脾脏白细胞提取物,其转移的迟发型超敏反应具有抗原特异性。有研究表明,猪脾转移因子对ND,AI,IB,IBD等禽疫苗都有免疫增强作用[27],禽也有转移因子,研究证明,用鸡源TF转移了对柔嫩艾美尔球虫的免疫保护力。

4、转移生长因子-β

到目前为止,人和哺乳动物的TGF-β家族共发现了5型,鸡TGF-β有5个不同的亚型,彼此间的同源性达64%~82%。许多证据表明,鸡可表达4个TGF-β亚型,其中TGF-β4仅见于鸡。鸡TGF-β的功能包括损伤修复、促进细胞分化和生长。TGF-β4由从CD4+Th17细胞转化的Treg细胞产生[28]。细胞因子TGF-β4可促进IgA分泌增加[29],对于抵抗一些禽类肠道病毒有着重要作用。

5、肿瘤坏死因子-α

1990年,Qureshi等用马立克氏病毒病毒感染鸡转化的脾细胞建立了一单核细胞系,可分泌一种对肿瘤细胞具有杀伤活性的因子,这种活性可在脂多糖(LPS)处理后得到增强,提示这可能是鸡类似于哺乳动物的TNF-α。肿瘤坏死因子-α(TNF-α)是抗细菌,病毒和真菌感染而产生的主要促炎细胞因子之一[30]。TNF-α在激活和协调免疫应答中起关键作用,以保护宿主生物体免受病原体侵害。TNF-α已被证明可抑制某些病毒的复制,如乙型肝炎病毒(HBV)和水痘带状疱疹病毒(VZV)[31]

并且肿瘤坏死因子α(TNF-α)介导宿主对感染的反应。TNF-α/TNFR(肿瘤坏死因子受体)相互作用可以在许多病毒感染的结果中发挥决定性作用,有助于病毒控制或免疫介导的病理[32]。TNF-α的失调与许多病理状况有关,包括各种类型的关节炎和炎性肠病(IBD)[33]。TNF-α抑制剂已成功用于临床治疗这些慢性免疫介导的人类疾病[34]。然而,接受TNF-α抑制剂的患者通常具有高度的病毒感染风险[35]。据报道,用TNF-α抑制剂治疗可增加并发慢性乙型肝炎的再激活,并可能增加丙型肝炎病毒(HCV)的复制,从而说明了TNF-α在抗病毒方面是具有一定作用的。此外,TNF-α可与干扰素信号传导相互作用,当其与IFN-α结合时,TNF-α协同作用于ISG诱导,加强抗病毒作用,并且有研究表明,IFN-γ诱导病毒感染的细胞凋亡依赖于TNF-α的表达[19]

6、集落刺激因子

哺乳动物和鸡中有三种集落刺激因子(CSF),粒细胞CSF(G-CSF),巨噬细胞CSF(M-CSF),粒细胞和巨噬细胞CSF(GM-CSF)。其中GM-CSF作为机体不可或缺的免疫调节因子,能够促进造血前体细胞的存活和分化[36,37]。近年来,越来越多的学者在研究中发现GM-CSF对疫苗的重要性[33,38],研究发现,GM-CSF与疫苗共同免疫小鼠时可增强原增生性反应并提高T细胞的反应数量,有效提高疫苗的免疫效果[39]。因此GM-CSF因具有较强的免疫刺激效果而在众多类型免疫刺激剂中脱颖而出。

7、小结

抗病毒的细胞因子可以作用于各类DNA和RNA病毒,一方面刺激机体产生抗病毒蛋白,直接作用于病毒,另一方面联动机体固有免疫和获得性免疫应答,有效地抑制病毒复制,抵抗病毒感染,清除被病毒感染的细胞;也可筛选适合的细胞因子作为疫苗佐剂,开发新型基因工程疫苗或加强传统疫苗的免疫效果。随着对禽类细胞因子研究的深入其在临床上的应用非常值得期待,如具有免疫调节功能的细胞因子来替代传统的治疗方法,改进疫苗防控方法,将极大地推动“无抗”养殖的发展,助力解决人类食品安全问题,将会产生巨大的社会效益和经济效益。

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作者: 姜增 1 曹伟胜 1 廖明 1 黎敏 2 (1.华南农业大学兽医学院,广州 510642 2.默沙东动物保健品(上海)有限公司,上海 200233)

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