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色氨酸对哺乳动物母-胎界面的免疫调节作用及其机制

来源:成都市蓄康生物科技有限公司  点击数:1180

(祝贺成都市蓄康生物科技有限公司专注围产期母猪研究4周年)


阮征 印遇龙 伍国耀

南昌大学食品科学与技术国家重点实验室

南昌大学食品学院

中国科学院亚热带农业生态研究所

德克萨斯A&M大学动物科学系

摘    要:

近年来,一些研究发现氨基酸对提高母猪繁殖能力具有重要的作用。少量的体内和体外试验研究表明,色氨酸及其代谢物能够提高母猪繁殖能力,降低流产率。本文综述了色氨酸及其犬尿氨酸代谢对哺乳动物(主要是猪和鼠)母-胎界面免疫调节(或免疫耐受)的影响,以及色氨酸及其代谢物(如犬尿氨酸和3-羟基犬尿氨酸)对哺乳动物母-胎界面蜕膜自然杀伤(dNK)细胞、调节性T细胞(Treg)和17型辅助性T细胞(Th17)的调控作用以及可能的作用机制。

关键词:

色氨酸; 吲哚胺2,3-双加氧酶; 母-胎界面; 免疫调节; 犬尿氨酸途径代谢;

作者简介: 阮征(1978—),男,湖北荆州人,教授,硕士生导师,主要从事营养代谢与免疫调节。E-mail:ruanzheng@ncu.edu.cn; 印遇龙,中国工程院院士,研究员,博士生导师,E-mail:yinyulong@isa.ac.cn;


Immunoregulatory Effect and Mechanism of Tryptophan on Maternal-Fetal Interface of Mammals

RUAN Zheng YIN Yulong WU Guoyao

State Key Laboratory of Food Science and Technology,Nanchang University College of Food Science and Engineering,Nanchang University Institute of Subtropical Agriculture,Chinese Academy of Sciences Department of Animal Science,Texas A&M University,College Station 77843,USA

Abstract:

Recently,researchers found that amino acids could improve the reproductive capacity of sows. A few in vivo and in vitro studies show ed that tryptophan and its metabolites could improve the reproductive capacity and reduce the abortion rate of sow s. This paper review ed the effect of tryptophan and its metabolites via kynurenine pathw ay on the immunoloregulation( or immunologic tolerance) of maternal-fetal interface of mammals( mainly pigs and rats),and the regulatory effect of tryptophan and its metabolites( such as kynurenine and 3-hydroxykynurenine) on decidual natural killer( dNK) cell,regulatory T cell( Treg) and type 17 helper T cell( Th17) in maternal-fetal interface of mammals and their possible mechanisms.

Keyword:

tryptophan; indoleamine 2,3-dioxygenase; maternal-fetal interface; immunoloregulation; kynurenine pathway metabolism;

Received: 2014-08-13

妊娠是指哺乳类雌性承受胎儿在其体内发育成长的过程。由于营养不良或感染病毒等原因, 会引起妊娠母猪流产、死胎或产弱仔等繁殖障碍, 带来巨大的经济损失[1]。例如,产仔数相对较低的大白猪早期胚胎死亡率为26%。因此,母猪健康状况和繁殖性能是养猪业健康高效发展的关键。近年来,一些研究发现氨基酸对提高母猪繁殖能力具有重要的作用。精氨酸显著提高母猪窝产活仔数和窝活仔重[2]。对人早孕绒毛和足月胎盘组织进行体外细胞培养,添加色氨酸至生理浓度,无 γ -干扰素(interferon-γ,IFN-γ)时仅色氨酸和苏氨酸被代谢利用,浓度显著降低;添加色氨酸可以完全恢复外周血单核细胞的增殖,添加其他氨基酸无类似效应[3]。在妊娠第35天的饲粮中添加精氨酸提高了活胎数,促进了胎盘发育和血管化分数[4]。然而,Li等[5]研究发现精氨酸有降低妊娠早期母猪胚胎存活的作用。由此说明:第一,氨基酸调控妊娠期代谢(母猪繁殖能力)的分子机制尚不清楚;第二,即使是同一种氨基酸,在妊娠不同阶段(早、中、晚期)所体现的生理作用均不同。

1色氨酸的概述

色氨酸,又名 α - 氨基 - β - 吲哚丙酸,是哺乳动物体内细胞维持活化和增殖所必需的氨基酸。它是一种特殊的必需氨基酸,是动物体内唯一通过非共价键和血清白蛋白结合的氨基酸,广泛参与蛋白质合成和核酸合成。色氨酸通常在仔猪饲粮中为第二或第三限制性氨基酸,在成年猪基础饲粮中为第四限制性氨基酸[6]。色氨酸具有促进蛋白质合成、调节基因表达、提高食欲、缓解应激和促进生长的作用[7]。

色氨酸主要有2条代谢途径(图1):一是沿犬尿氨酸(kynurenine,Kyn)的代谢途径;二是沿5羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)的代谢途径。

图1 L -色氨酸代谢途径 Fig.1 M etabolic pathw ays of L-tryptophan

吲哚胺2,3 -双加氧酶(indoleamine 2,3-dioxygenase,IDO) 是色氨酸分解代谢中除肝脏以外唯一可催化色氨酸分子中吲哚环氧化裂解,沿Kyn途径分解代谢的限速酶。它通过降解局部组织中的色氨酸,在诱发宿主免疫防御、诱导母胎免疫耐受和抗肿瘤免疫等方面均发挥重要的代谢性免疫调节作用[8]。IDO能在肿瘤细胞内表达,可降解色氨酸,导致细胞微环境中色氨酸耗竭,使得细胞毒性T细胞(CD8+T细胞) 增殖静止在G1期( 因为T细胞增殖需要色氨酸),抑制细胞毒性T细胞增殖,导致肿瘤的免疫逃逸[9]。在胎盘中表达IDO可保护同种异体(胎儿)免遭母体排斥[10]。表达IDO的细胞主要分布在胸腺髓质和次级淋巴管的T细胞区,以及免疫耐受或免疫特赦组织(如胎盘、胃肠道黏膜、胸腺与附睾)中,并且特异性地表达在巨噬细胞和树突细胞上。近年来,由于IDO在免疫和代谢生理中具有双重作用而受到重点关注[11]。

2色氨酸对母-胎界面免疫的影响

2.1母-胎界面与免疫耐受

母 -胎界面是由母体蜕膜组织和胚胎滋养层组织共同构成的,在调节胚胎发育和胎盘形成等方面发挥着重要作用,也是形成免疫耐受的核心部位[12]。母 - 胎免疫耐受机制的失调可导致母体对胚胎的免疫排斥,比如反复自然流产和胚胎丢失。母 -胎界面1型辅助性T细胞(type 1 helper T cell,Th1) 向2型辅助性T细胞( type 2 helper T cell,Th2) 漂移所形成的Th2型免疫优势,及调节性T细胞(regulatory T cell,Treg)扩增是母 -胎免疫耐受和成功妊娠的标志[13]。近年来,研究揭示蜕膜组织中含有一定量的免疫细胞,蜕膜自然杀伤(decidual natural killer,dNK)细胞占淋巴细胞总量的70% ~80%,另外还有树突状细胞(dendritic cells,DC ) 、巨噬细胞和T细胞。Dürr等[14]报道IDO在妊娠早期即已在滋养层细胞中表达; Hao等[15]发现IDO在维持母 - 胎免疫耐受中起重要作用。Lockwood等[16]提出一个观点,他认为正常妊娠时蜕膜组织可能分泌某些免疫抑制物,使dNK细胞对滋养细胞的杀伤作用受到抑制;异常时dNK细胞被激活,激活蜕膜中的巨噬细胞及其他细胞使之释放细胞毒性物质,从而造成流产。 综上,妊娠早期母 - 胎界面成分及其构成的特殊的免疫微环境对母 - 胎免疫耐受的维持至关重要,但是,有关蜕膜组织和胚胎滋养层的氨基酸代谢以及免疫调节(耐受和失衡)的生理/病理机制至今尚不十分清楚。

2.2色氨酸与IDO对繁殖能力和免疫的影响

IDO在母 - 胎界面表达,对免疫应答起到重要调节作用[15]。Ban等[17]发现,与正常妊娠妇女相比,反复自然流产妇女的胎盘和蜕膜组织表达的IDO蛋白质和基因水平均显著降低;在移植的滋养层绒毛细胞和HTR-8/SVneo细胞培养中, IFN-γ 显著增加IDO的活性。研究发现,妊娠早期IDO和Kyn羟化酶在蜕膜基质和腺状上皮细胞具有高表达[18]。人体绒毛膜促性腺激素能上调IDO mRNA和蛋白质的表达,从而提高IDO的活性[19]。妊娠早期感染合成的模拟病毒RNA[聚肌胞苷酸,poly(I:C)]后,Toll样受体3(Toll-like receptor 3,TLR3) 通过 β - 干扰素( interferon-β,IFNβ)的依赖性途径诱导滋养层细胞表达IDO,有助于抑制微生物活性和维持母 -胎免疫耐受[20]。然而,Lopez等[21]发现,在妊娠早期,人巨细胞病毒 (human cytomegalovirus,HCMV)感染后能抑制胎盘IDO的活性;与妊娠晚期相比,HCMV更容易感染妊娠早期胎盘。这说明在妊娠期IDO活性受不同病毒 调控的作 用不一致。流产衣原 体 (Chlamydophila abortus)能感染胚胎滋养层,引起细胞损伤和炎症并导致流产。Entrican等[22]提出一个疑问:一个色氨酸营养缺陷型的有机体(流产衣原体),为什么趋向色氨酸缺乏的组织(滋养层)? 这说明当前的认识还不能揭示母 -胎界面组织与免疫/病毒的相互作用与机制,还有待进一步研究。

色氨酸能维持哺乳动物体内细胞活化和促进增殖,同时它也是动物体内唯一通过非共价键和血清白蛋白结合的氨基酸,广泛参与蛋白质与核酸的合成。添加色氨酸可提高母猪繁殖能力。和母猪妊娠(58 d)相比,产后第2和4天的血浆色氨酸含量显著降低;在哺乳期间(1周内),不活泼的猪与活泼的猪相比,其血浆色氨酸含量显著降低, 说明色氨酸或其代谢物对猪的行为和繁殖能力具有重要影响[23]。邱时秀[24]发现,饲粮添加色氨酸 (0.20%、0. 35%、0. 50% 和0. 75%)可降低感染伪狂犬病毒孕鼠的死亡率和流产率,提高胚胎存活率和活产仔数(用活胚数回归分析表明,感染病毒孕鼠饲粮色氨酸水平为0.56%时活胚数最高); 病毒感染提高了孕鼠的色氨酸需要量,感染孕鼠色氨酸的需要量为正常孕鼠的1.6倍。基于细胞水平或细胞微环境的、已经明了的免疫调节机制结论 (色氨酸耗竭能介导T细胞免疫耐受)与动物层次的试验结果是存在差异的,说明母 - 胎组织与细胞层次免疫和代谢机制尚待进一步研究。

色氨酸沿Kyn途径的代谢物质具有调节免疫炎症的作用[25]。Jenabian等[26]研究表明,在艾滋病感染者中独特的色氨酸分解代谢物Kyn和3 -羟基犬尿氨酸(3-hydroxykynurenine,3OH-Kyn)调节17型辅助性T细胞(type 17 helper T cell,Th17)/Treg平衡。Kyn、3OH-Kyn和3 - 羟基邻氨基苯甲酸(3hydroxyanthranilic acid,3-HAA) 强烈抑制T细胞反应[27]。3OH-Kyn和3-HAA减弱了大鼠血管球性肾炎,降低了脾脏T细胞增殖[28]。利用液相 -质谱技术进行代谢组学分析证实,在白细胞介素 -10(IL10)( - / - )小鼠血浆中Kyn和3OH-Kyn含量显著升高,15种代谢物(包括岩藻糖、黄尿酸和5 - 氨基戊酸)的含量有差异,且均与肠炎症相关[29]。能够分解代谢色氨酸的某些类型的肿瘤不表达IDO,例如,最近的研究进一步说明在恶性神经胶质瘤和其他类型的癌症中存在替代的色氨酸分解酶催化与调节途径[30]。由IDO代谢途径形成的3-HAA对大鼠进行单次注射后,可以直接抑制由异体骨活化骨髓源性树突状细胞激活的T细胞增殖,并随后在体内消灭能介导同种异体排斥的特定的T细胞亚群[31]。因此,这就产生1个假说:母 - 胎免疫耐受的另外一个机制可能是通过具有生物活性的色氨酸代谢物抑制淋巴细胞的增殖,产生较强的免疫抑制效果(图2)。

图2色氨酸代谢物可能的作用途径 Fig.2Possible pathw ays of metabolites for tryptophan

Trp:色氨酸 tryptophan;IDO:吲哚胺 2,3 - 双加氧酶 indoleamine 2,3-dioxygenase; Kyn:犬尿氨酸 kynurenine;3-HAA: 3 - 羟基邻氨基苯甲酸 3-hydroxyanthranilic acid。 实线箭头:作用途径已经阐明;虚线箭头:作用途径未揭示。 Solid arrows: the pathw ay is already stated; dashed arrow s: the pathw ay is not revealed.

3小结

流产是降低妊娠母猪繁殖能力的重要原因之一,也是免疫耐受失调的重要表现之一。饲粮添加色氨酸能提高母猪繁殖能力已引起发达国家动物营养与免疫学领域研究者的重视。对于动物妊娠阶段的氨基酸生理功效与免疫调控的研究相对其他阶段是比较滞后的,造成这种现象的原因可能与妊娠期间的氨基酸营养研究相对其他阶段较困难有关。

研究发现色氨酸能促进细胞毒性T细胞介导免疫排斥(流产),经由Kyn途径代谢物和/或IDO能抑制细胞毒性T细胞介导的妊娠哺乳动物的免疫排斥。然而,色氨酸及其代谢物(如Kyn和3OH-Kyn) 调控妊娠母猪母 - 胎界面蜕膜NK细胞、Treg和/或Th17的机理仍然有待于研究。


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