谷氨酰胺對(duì)水生動(dòng)物免疫的影響及機(jī)理

許友卿 李偉峰 丁兆坤

(廣西大學(xué)水產(chǎn)科學(xué)研究所，南寧 530004)

在應(yīng)激、受傷、疾病等狀態(tài)下，機(jī)體對(duì)谷氨酰胺(glutamine，Gln)的需要量大大提高，而自身合成不能滿足需要，必須添加外源Gln［1］。因此，Gln是機(jī)體發(fā)生應(yīng)激、受傷、疾病時(shí)的條件必需氨基酸［2］。具有α－酮戊二酸碳架結(jié)構(gòu)的Gln可通過體細(xì)胞三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle，TCA)氧化供能，同時(shí)它又是核苷酸、谷氨酸和谷胱甘肽(glutathione，GSH)生物合成的前體［3－4］。Gln 還能減少促炎癥細(xì)胞因子的表達(dá)，改善腸道屏障功能，改進(jìn)免疫細(xì)胞功能，提高應(yīng)激反應(yīng)能力［5］。在機(jī)體中，尤其是血漿中，Gln是最豐富的游離α－氨基酸［6］，也是免疫細(xì)胞和腸道黏膜細(xì)胞的重要燃料和代謝前體［7］，具有促進(jìn)腸道黏膜修復(fù)、淋巴細(xì)胞增殖、巨噬細(xì)胞分裂和分化的作用，在調(diào)節(jié)免疫功能方面具有重要意義［8］。

目前，對(duì)于Gln的研究主要集中在人和陸生動(dòng)物上，在水生動(dòng)物上的研究較少。隨著海洋科學(xué)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，加強(qiáng)Gln在水生動(dòng)物上的應(yīng)用研究是歷史使然。因此，本文將圍繞Gln對(duì)水生動(dòng)物免疫的影響及機(jī)理進(jìn)行綜述，旨在促進(jìn)Gln在水生動(dòng)物上的研究及科學(xué)應(yīng)用。

1 Gln對(duì)水生動(dòng)物免疫的影響

1.1 Gln對(duì)水生動(dòng)物體液免疫的影響

Gln對(duì)B淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化、漿細(xì)胞形成和免疫球蛋白(immunoglobulin，Ig)合成與分泌有明顯的促進(jìn)作用。補(bǔ)充Gln能增加腸內(nèi)淋巴細(xì)胞中谷氨酰胺酶(glutaminase)的活性，從而增加對(duì)Gln的利用，有效維護(hù)淋巴細(xì)胞的功能，促進(jìn)漿細(xì)胞生成分泌型免疫球蛋白A(secretory immunoglobulin A，SIgA)，對(duì)防治創(chuàng)傷后腸道細(xì)菌和毒素的移位具有重要意義［9］。在飼料中補(bǔ)充 Gln能緩解脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)的毒性及其對(duì)細(xì)胞免疫功能的抑制，刺激中華鱉(Pelodiscus sinensis)血漿IgM含量上升，并顯著促進(jìn)腸道類SIgA的分泌［10］。

血清白蛋白(albumin，ALB)的主要功能是維持滲透壓平衡，而球蛋白(globulin，GLB)則與機(jī)體免疫功能密切相關(guān)。飼料中添加Gln能顯著提高雜交幼鱘(Acipenser schrenckii×Huso dauricus)血清總蛋白(total protein，TP)和GLB含量，當(dāng)添加 1.0% 丙氨酰谷氨酰胺［N(2)－L－alanyl－L－glutamine，Ala－Gln］時(shí)，GLB 含量的提高效果最佳，但是對(duì)ALB含量的影響不顯著［11］。

Ala－Gln可顯著提高試驗(yàn)對(duì)象的非特異性免疫防御能力。飼料中添加Ala－Gln可顯著提高日本對(duì)蝦(Penaeus japonica)的血清溶菌酶、抗氧化酶及磷酸酶活性，降低肝胰腺細(xì)胞凋亡率，增加腸絨毛高度，改善蝦體健康狀況［12］。

1.2 Gln對(duì)水生動(dòng)物細(xì)胞免疫的影響

前已述及，Gln不僅是活細(xì)胞新陳代謝的燃料之一，而且是核苷酸等生物合成的前體。因此，Gln對(duì)細(xì)胞的增殖具有重要的作用。Rosenberg－Wiser等［13］研究表明，在鯉魚(Cyprinus carpio)白細(xì)胞與植物血球凝集素(phytohemagglutinin，PHA)的反應(yīng)中，Gln可促進(jìn)白細(xì)胞的增殖。飼料中補(bǔ)充Gln可顯著升高中華鱉CD4+/CD8+和T淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化率，表明Gln可增強(qiáng)中華鱉的細(xì)胞免疫功能［14］。添加Gln影響外周血中白細(xì)胞的總量和各種白細(xì)胞的數(shù)量，可能與Gln促進(jìn)細(xì)胞分裂相關(guān)，因?yàn)镚ln可為嘧啶和嘌呤提供氮源［15］。

1.3 Gln對(duì)水生動(dòng)物抗氧化應(yīng)激的影響

乳酸脫氫酶(lactic dehydrogenase，LDH)、丙二醛(malondialdehyde，MDA)和蛋白質(zhì)羧基化合物均是反映機(jī)體氧化損傷的指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，Gln能阻止受H2O2刺激建鯉(Cyprinus carpio var.Jian)對(duì) LDH、MDA和蛋白質(zhì)羧基化合物的釋放［16］。當(dāng)機(jī)體內(nèi)活性氧(reactive oxygen species，ROS)濃度超過細(xì)胞的抗氧化能力時(shí)，會(huì)發(fā)生氧化應(yīng)激，導(dǎo)致脂質(zhì)、DNA和蛋白質(zhì)氧化損傷［17］，使多種細(xì)胞凋亡［18］。機(jī)體內(nèi)超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH－Px)在清除自由基氧化損傷和維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)方面起著重要作用。在應(yīng)激狀態(tài)下，血液中SOD、GSH－Px活性降低，脂質(zhì)過氧化物MDA含量升高。Xu等［19］研究表明，在飼料中添加Gln可以提高雜交幼鱘肝臟和腸道組織中GSH－Px、SOD活性，降低 MDA含量。GSH是主要的內(nèi)生抗氧化劑，能保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激。GSH/氧化型谷胱甘肽(oxidized glutathione，GSSG)是細(xì)胞內(nèi)主要的氧化還原緩沖對(duì)，也是細(xì)胞內(nèi)氧化還原環(huán)境的代表性指標(biāo)，細(xì)胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)的變化在很大程度上受到GSH與GSSG比例的影響［20］。GSH含有1個(gè)極易被氧化的巰基，能有效清除 ROS［21］，而 Gln 是 GSH 的代謝前體［21－22］，不但可以調(diào)節(jié)GSH合成，還影響GSH與GSSG的比例，具有提高谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase，GR)活性的能力［16］。研究發(fā)現(xiàn)，Gln 能阻止H2O2降低 SOD、過氧化氫酶(catalase，CAT)、GSH－Px、GR、谷胱甘肽 S － 轉(zhuǎn)移酶(gultathione S transferase，GST)活性，GSH含量以及 GSH與GSSG比例，從而有效地保護(hù)建鯉腸道上皮細(xì)胞免受H2O2誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激［16］。適量添加Gln可以提高哲羅魚(Hucho taimen)仔魚腸道抗氧化應(yīng)激的能力［23］。添加0.75%Ala－Gln 能夠顯著增加哲羅魚仔魚腸道Gln、谷氨酸含量，提高腸道脂肪酶和 Na+，K+－ATP 酶活性，大大降低 MDA 含量［24］。補(bǔ)充外源 Gln可提高草魚(Ctenopharyngodon idellus)小腸黏膜中GSH含量和CAT活性，降低 MDA 含量［25］。

1.4 Gln對(duì)水生動(dòng)物抗病力的影響

當(dāng)水生動(dòng)物處于應(yīng)激狀態(tài)或患病時(shí)，體內(nèi)循環(huán)的Gln水平會(huì)下降。硬骨魚的免疫系統(tǒng)依賴Gln作為能源和合成核苷酸，已在斑點(diǎn)叉尾(Ictalurus punctatus)肝臟、腎臟和鰓組織上檢測(cè)到Gln合成酶的存在［26］。Gln是細(xì)胞凋亡的抑制劑，有助于阻止由外源因子或細(xì)胞內(nèi)刺激誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡［27］。研究表明，飼料中添加Gln可提高用嗜水氣單胞菌(Aeromonas hydropila)攻毒的全雄奧尼羅非魚(Oreochromis niloticus×O.Aureus)的存活率［28］。

2 Gln的免疫調(diào)節(jié)機(jī)理

2.1 Gln通過供能和抗氧化作用影響免疫調(diào)節(jié)

Gln是機(jī)體和血漿中最豐富的游離α－氨基酸［6］，是免疫細(xì)胞的重要燃料和代謝前體［7］，能刺激線粒體三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)的形成［29］，促進(jìn)免疫細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖。Gln缺乏可導(dǎo)致ROS合成增加，進(jìn)而使線粒體內(nèi)的GSH消耗增加，損害線粒體功能，減少細(xì)胞內(nèi)ATP的產(chǎn)生，從而延緩細(xì)胞增殖，減少細(xì)胞因子的產(chǎn)生，使細(xì)胞凋亡增加。GSH在免疫系統(tǒng)抗感染和炎癥反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用［30］，而Gln是合成GSH的前體［3］。腸道組織中富含 L－Gln的大鼠，可有效抑制體內(nèi)一氧化氮(nitric oxide，NO)的合成［31］和過氧化物的產(chǎn)生［32］。

2.2 Gln通過熱休克蛋白(heat shock proteins，HSPs)影響免疫調(diào)節(jié)

HSPs是應(yīng)激條件下細(xì)胞存活的一組必需蛋白質(zhì)，具有高度的保守性，屬于多基因家族，分子質(zhì)量在10～105 ku之間，廣泛存在于各種生物體的細(xì)胞內(nèi)［33］。HSPs具有調(diào)節(jié)免疫、調(diào)節(jié)炎癥、抑制細(xì)胞凋亡、抗氧化及改善組織代謝等多種保護(hù)作用［14］。應(yīng)激誘導(dǎo)的HSP70和HSP72是誘導(dǎo)形式的應(yīng)激蛋白質(zhì)，其功能是防止蛋白質(zhì)凝集和促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊，可能對(duì)細(xì)胞具有保護(hù)作用［34］。用腺病毒表達(dá)的HSP72治療膿毒癥誘導(dǎo)的急性肺損傷時(shí)，HSP72可限制核因子(nuclear factor，NF) － κB(一種重要的調(diào)節(jié)多種促炎癥因子表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子和免疫調(diào)節(jié)分子)活化，阻止肺損傷［35］。而Gln能提高肺巨噬細(xì)胞和上皮細(xì)胞HSP70和HSP72的表達(dá)［36］，具有顯著的防膿毒損傷作用［37］。Gln可能通過提高白細(xì)胞［38－39］、單核細(xì)胞［40］和粒細(xì)胞［33］內(nèi)HSPs的表達(dá)，對(duì)危重病人產(chǎn)生有利影響。

2.3 Gln通過影響相關(guān)基因的表達(dá)影響免疫調(diào)節(jié)

Gln可通過影響相關(guān)基因的表達(dá)而提高免疫功能。Gln可調(diào)節(jié)多種代謝相關(guān)基因的表達(dá)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞防御和修復(fù)，還可激活細(xì)胞內(nèi)信號(hào)路徑［41］。在飼糧中添加Gln能增加仔豬腸道細(xì)胞生長(zhǎng)和氧化物清除基因的表達(dá)，同時(shí)降低促氧化應(yīng)激和免疫激活基因的表達(dá)［36］。但是，目前少見Gln對(duì)水生動(dòng)物基因表達(dá)影響方面的研究。

3 小結(jié)

綜上所述，Gln在水生動(dòng)物的免疫調(diào)節(jié)方面具有重要作用。然而，Gln對(duì)水生動(dòng)物免疫調(diào)節(jié)的機(jī)理還有待進(jìn)一步闡明。今后應(yīng)加強(qiáng)Gln對(duì)水生動(dòng)物免疫影響的研究，尤其要用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)加強(qiáng)Gln對(duì)水生動(dòng)物免疫影響及機(jī)理的研究，從分子生物學(xué)水平闡明Gln的免疫調(diào)節(jié)機(jī)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，F(xiàn)LEMING 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，方麗華.添加精氨酸和谷氨酰胺的胃腸外營(yíng)養(yǎng)對(duì)肝癌術(shù)后患者細(xì)胞免疫狀態(tài)的影響［J］.中國(guó)生化藥物雜志，2011，32(1):63－65.

［9］ KUDSK K A，WU Y，F(xiàn)UKATSU 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］ 溫安祥，周定剛.谷氨酰胺對(duì)內(nèi)毒素刺激下中華鱉免疫功能和生產(chǎn)性能的影響［J］.動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào)，2011，23(4):662－669.

［11］ 朱青，許紅，徐奇友，等.谷氨酰胺對(duì)幼鱘魚血清、肝胰臟生化指標(biāo)及體成分的影響［J］.水產(chǎn)學(xué)雜志，2010，23(2):16 －20.

［12］ 葉均安，王冰心，孫紅霞，等.谷氨酰胺二肽對(duì)日本對(duì)蝦血清生化指標(biāo)、肝胰腺細(xì)胞凋亡及腸黏膜形態(tài)的影響［J］.海洋與湖沼，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］ 溫安祥.谷氨酰胺緩解中華鱉免疫應(yīng)激反應(yīng)作用機(jī)理的研究［D］.博士學(xué)位論文.雅安:四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，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，F(xiàn)ENG 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，F(xiàn)REEDMAN 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，許紅，等.飼料中添加谷氨酰胺二肽對(duì)哲羅魚仔魚腸道抗氧化活性及消化吸收能力的影響［J］.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)，2010，17(2):351－356.

［24］ 徐奇友，王常安，許紅，等.丙氨酰－谷氨酰胺對(duì)哲羅魚仔魚生長(zhǎng)和抗氧化能力的影響［J］.動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào)，2009，21(6):1012 －1017.

［25］ 朱選，曹俊明，趙紅霞，等.飼料中添加谷胱甘肽對(duì)草魚組織中谷胱甘肽沉積和抗氧化能力的影響［J］.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)，2008，15(1):160 －166.

［26］ WILSON R P，F(xiàn)OWLKES 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］ 楊奇慧，周歧存，譚北平，等.谷氨酰胺對(duì)雜交羅非魚生長(zhǎng)、飼料利用及抗病力的影響［J］.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)，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.