禽类干扰素研究进展

杨俊青,刘西培,刘文青,赵宝华

(河北师范大学生命科学学院,河北石家庄,050016)

1 干扰素

干扰素(Interferon,IFN)是指在特定诱导剂作用下,由细胞产生的一组具有高度生物学活性的糖蛋白。最先是由英国病毒学家Isaacs和瑞士研究人员 Linden-mann于 1957年在利用鸡胚绒毛尿囊膜研究流感病毒的干扰现象时发现的[1]。1963年 Lampson等纯化了这种因子,并证明该因子是一种蛋白质,其分子量为 20～34 ku[2]。对干扰素基因序列研究结果表明,该序列早在 5亿～10亿年前就存在于生命细胞的基因序列中,是生物体内一种古老的保护因子。

近半个世纪,干扰素一直是病毒学、细胞学、分子生物学、临床医学、免疫学、肿瘤学等相关领域的研究热点,但主要是针对人类及哺乳动物干扰素作用机理及临床实验的研究。与人类和哺乳动物相比,禽类干扰素的研究相对落后,尤其是在分子生物学方面的研究。由于禽类干扰素具有广谱抗病毒、抗肿瘤活性及免疫调节作用,对禽类疾病的防控有良好作用,近年来得到了研究人员的重视,目前其基因结构、作用机理、体外重组表达及其在细胞免疫中的功能等方面的研究都取得了很大进展。研究表明,重组干扰素与天然干扰素具有同样的抗病毒和免疫调节活性[3],因此重组干扰素的研究和应用将成为禽类病毒性疾病防治的重要方向。

2 禽类干扰素

20世纪 80年代,人们按照 IFN与其受体结合不同的原则,将干扰素分为Ⅰ型与Ⅱ型,而Ⅰ型干扰素又按其与抗体的结合的抗原性不同分为二类,即 IFN-α和 IFN-β两大类,Ⅱ型干扰素命名为 IFN-γ。后来,人们不只发现 IFN-α存在亚型以及亚亚型,并且还发现了牛、羊怀孕时滋养层细胞分泌的与胚胎植入发育和母体识别有关的 IFN-τ[4],猪怀孕时滋养层细胞分泌的 IFN-δ[5],与 IFN-α同源性极高的IFN-ω,人白细胞分泌的天然 IFN-ε,角质层细胞分泌的 IFN-κ等也属于Ⅰ型 IFN。

2003年有两个实验室同时在 Nature Immunology发表两篇文章,他们发现 IFN-λ1,λ2,λ3或 IL-28A,IL-28B或 IL-29都有干扰素活性,但它结合的受体与Ⅰ型干扰素受体不同[6]。

刘新恒指出,应该将干扰素分为 TypeⅠ,TypeⅡ,TypeⅢ等 3大类型干扰素。其中 TypeⅠ目前分为α,β,κ,ω,ε等数种。IFN-β,κ,ω,ε等的抗原性均与 IFN-α不同,且本身只有 1种,没有亚型或亚亚型,而 IFN-α则有 13种以上亚型,如 IFNα-1,2,3,……,还有亚亚型,如 IFNα-1a,1b,1c,1d及 IFNα-2a,2b,2c,……。TypeⅡ干扰素则只有 1种,即原来的 IFN-γ。TypeⅢ至今为止有 3种亚型,IFN-λ1,IFN-λ2,IFN-λ3即原来的 IL-28A,IL-28B和 IL-29[6]。研究表明,鸡及其他禽类的 IFN系统与哺乳动物 IFN系统相类似。1995年,Lowenthal等[7]从有丝分裂原刺激的鸡脾淋巴细胞中得到了对热和 pH2敏感的 IFN,它能激活巨噬细胞产生 NO,这与哺乳动物 IFN-γ相似,从而证明在鸡体内同样存在 IFN-γ。1996年,Sick等 进行了 λ噬菌体基因文库杂交分析,发现在鸡体内存在两种血清型的Ⅰ型 IFN,进一步确证为IFN-α和 IFN-β。到目前为止,鸡体内还没有发现其他的Ⅰ型 IFN。后来根据鸡 IFN-γ设计多个引物,得到了 4种 Galliforms(日本鹤鹑、火鸡、珠鸡和雉)的 IFN-γ基因的全序列[9]。 2008年,Karpala等[10]对IL-28B的基因进行了克隆表达及纯化,这表明禽类体内存在 TypeⅠ,TypeⅡ,TypeⅢ等 3大类型干扰素。目前,在禽类中尚未发现 IFN-ω和 IFN-τ等。

3 禽类干扰素的生物学活性

禽类干扰素与哺乳动物干扰素的生物学活性也相类似,呈现多样性,以网络的形式参与多种生理活动,是一种重要的细胞因子,而且在作用机理和临床应用上的多种生物学活性之间是相互联系、相互交叉的。

3.1 抗病毒作用

IFN并不直接作用于病毒,而是通过诱导正常细胞产生抗病毒蛋白(Antiviral protein,AVP)间接地达到抗病毒的效果,是非特异的,但具有种属特异性。家禽 IFN-Ⅰ,Ⅱ型均具有广谱抗病毒作用,Ⅰ型IFN的抗病毒作用最强。首先,IFN与周围细胞膜上的受体结合,起着第一信使的作用,活化细胞膜腺甘酸环化酶,促使 cAMP形成;然后 cAMP作为第二信使,激活细胞内抗病毒作用机制,产生 AVP。AVP主要有 3种:蛋白激酶、磷酸二酯酶和 2-5A合成酶。前 2种能破坏细胞核糖体转译病毒蛋白质,后一种酶能降解 mRNA,有的能抑制转录酶,阻止 mRNA的形成,还有的能抑制病毒 DNA和 RNA的合成。因此,可以说 IFN是通过 AVP间接地抑制病毒复制而达到抗病毒作用的。禽类 IFN与这 3种酶究竟是如何相互作用,有待进一步的探索[11]。

3.2 抗肿瘤作用

IFN-Ⅰ,Ⅱ型都具有抗肿瘤作用,但Ⅱ型效果更为显著。干扰素抗肿瘤机制有以下几种方式:①有些肿瘤的发生与病毒有关,IFN通过抑制了病毒的增殖而抑制肿瘤的发生与成长;②IFN作用于细胞膜,刺激腺苷酸环化酶,使 cAMP增加,抑制了 DNA的合成及细胞分裂;③IFN能改变肿瘤细胞表面的性能,诱发新的抗原,从而易被免疫监视细胞识别并加以排斥;④通过免疫调节,增强机体抗肿瘤能力,主要是增强巨噬细胞、NK细胞和细胞毒性 T淋巴细胞(CTL)的杀伤性。1999年,Plachy等[12]进行了鸡重组 IFN防治 RSV肿瘤的研究,结果表明,高剂量的重组 INF不仅可以抑制肿瘤,还可以使一些鸡的RSV肉瘤完全消失。临床上可用于治疗鸡马立克氏疾病、鸡白血病、网状内皮组织增殖病、火鸡淋巴细胞增殖病等。

3.3 抗寄生虫作用

经研究发现,在宿主对寄生虫感染的免疫应答过程中,干扰素发挥着重要的免疫调节作用。其作用主要通过 3种途径:①通过激活巨噬细胞,增强呼吸频率,释放氧自由基,通过氧自由基攻击脂质膜,使寄生虫体被破坏,从而达到杀虫目的。Mellors J.W.[13]通过对小鼠的研究发现这种效应有组织特异性。②通过 L-精氨酸途径发挥作用,由活化的巨噬细胞产生的 NO,从而抑制靶细胞的 DNA合成和线粒体的呼吸作用,导致靶细胞代谢功能障碍。③干扰素可以诱导成纤维细胞和巨噬细胞合成产生吲哚胺-2,3-双氧酶,使色氨酸大量分解,导致虫体色氨酸缺乏,从而抑制虫体在宿主体内的繁殖。禽类干扰素在抗寄生虫的作用方面,不同类型干扰素作用的途径是不相同的,Ⅰ型干扰素主要是通过第 3种途径而发生作用,其中 IFN-β抗弓形体的机制则更为复杂;Ⅱ型干扰素主要是通过以上 3种途径发挥作用。鸡INF-γ可激活感染艾美耳球虫的动物的巨噬细胞,活化 MHCⅡ类分子,提高淋巴细胞水平,减少卵囊排出量,从而提高鸡体重及对球虫感染的抵抗力[14]。

3.4 免疫调节作用

IFN可增加 IgG的 Fc受体表达,从而有利于巨噬细胞对抗原的吞噬,K细胞、NK细胞对靶细胞的杀伤,以及 T,B淋巴细胞的激活,增强机体免疫应答能力[15]。Ⅰ型 IFN可增加 MHCⅠ类分子的表达,从而增强细胞毒性 T细胞对这类靶细胞的杀伤效应,同时增加 NK细胞裂解潜能,使机体有效地发挥抗病毒感染和抗肿瘤免疫。禽类 IFN-γ可增加细胞表面 MHCⅡ类分子的表达,调节巨噬细胞、T细胞、B细胞之间的关系,增强免疫应答能力[16,17]。

3.5 免疫佐剂作用

细胞因子作为佐剂始于 20世纪 80年代初。许多实验证明,禽类 IFN具有较强的佐剂活性并且对降低副作用也有一定功效。早在 1991年,A.W.Heath等[18]就发现,重组 IFN-γ与疫苗混合免疫可以明显提高疫苗对供试小鼠的免疫保护效果,而单纯使用 IFN-γ对病原菌无效。目前,IFN-γ已成为一种常规选用的免疫佐剂。研究还发现,IFN必须与抗原置于同一位置才能发挥效应。徐守振等[19]将鸡柔嫩艾美耳球虫 3-1E抗原基因与鸡 IFN-γ基因进行融合,构建真核双价融合表达质粒,对肉鸡进行免疫,具有增强免疫保护作用,可显著降低粪便中的卵囊排出量。

4 禽类干扰素应用前景

随着近年来全球畜禽养殖业的迅猛发展,我国养禽类已由农村家庭副业发展成了社会一大产业,无论是禽类的品种还是数量都位于世界前列。然而,养禽业还存在很多问题,禽流感、传染性法氏囊病、传染性支气管炎、马立克氏病、新城疫等疾病,每年都会在不同的季节暴发,造成巨大的经济损失。目前禽类传染性疾病的防治主要采用疫苗免疫和药物治疗,由于疫苗免疫的血清型单一,而病毒的血清型复杂,毒株变异快,常导致疫苗免疫失败。一些病毒病目前常无疫苗可用,有些病毒也可能直接危害到人类的健康。药物治疗主要采用抗生素进行治疗,但是近年来由于抗生素的广泛和大量使用,导致一些抗药型细菌的产生,并通过食物链传染给人,给人类健康带来更大的威胁。现在一些国家己明令禁止一些抗生素和抗菌剂在养殖业中的应用。因此,人们迫切需要开发一种新的方法来控制畜禽疾病。

干扰素作为一种细胞因子,已在国内外确证是机体抗病毒感染防御反应中出现最早且对大多数病毒均有作用的广谱抗病毒药物。禽干扰素除了具有抗病毒、抗肿瘤活性外,更重要的是它具有诸多很重要的免疫调节活性,既可以和多种基因工程疫苗联用,增强改善其免疫效果,也可以单独作为生物制剂使用应用于疾病的防治,在医学已被广泛应用于病毒病和肿瘤性疾病的治疗。近年来,利用基因工程技术生产出重组禽类干扰素,开展禽病毒性疾病和肿瘤性疾病的防治越来越受到人们的重视。

虽然干扰素产品已应用于预防与治疗家禽的多种疾病,如在禽流感、新城疫等病毒感染病的防治中具有较好的效果,但是在干扰素研究中,还有一些理论与实践方面的问题有待进一步研究:(1)需要进一步研究 IFN受体基因及其分子生物学结构;(2)需要深入研究干扰素与干扰素受体之间的相互作用以及受体在信号传导中的作用;(3)需要进一步研究不同来源干扰素的亲和性及其生物学功能;(4)需要探索更有效的基因表达系统,以提高干扰素基因的表达水平,降低其生产成本;(5)需进一步改进干扰素的纯化和检测技术;(6)干扰素与干扰素受体在临床上还有多大的开发空间。这些问题均有待进一步深入的研究和探讨。

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(责任编辑:朱宝昌)