動物干擾素專題

趙軍

動物干擾素專題

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豬干擾素基因研究進展及其在抗病育種中的應用展望
劉劍鋒1，王立賢1，張沅2 ，蘇振環(huán)1
（1.中國農業(yè)科學院畜牧研究所,北京　100094 ；2.中國農業(yè)大學，北京 100094）

　　摘要：干擾素是動物機體最重要細胞因子之一，目前計有5種豬干擾素（I型干擾素α、β、ω、δ和II型干擾素γ）被發(fā)現。本文列舉了主要豬干擾素（INFα、β、γ）的基因結構、抗病毒和免疫調節(jié)功能，概述了干擾素在機體中以JAK-STAT信號轉導通路方式為主的抗病毒機理，同時分析了豬干擾素基因可能存在與豬綜合抗病力密切相關的遺傳多態(tài)性及其在豬抗病育種中的應用前景。
　　關鍵詞：豬；干擾素基因；綜合抗病力；遺傳多態(tài)性
　　1、前言
　　1957年Isaacs和Lindenman在進行雞胚細胞流感病毒感染試驗中首次發(fā)現一類能干擾和抑制病毒復制的可溶性細胞分泌物，故取名為干擾素（interferon）。Wheelock與Green分別于1965年和1969年相繼發(fā)現免疫活性細胞經絲裂原或抗原刺激后，產生一類對酸敏感的干擾素，稱為免疫干擾素。目前依據干擾素對酸的敏感性通常分為I型干擾素（酸敏感型）和II型干擾素（耐酸型）兩類。幾乎所有脊椎動物均可產生這兩類干擾素，根據產生干擾素細胞種類不同，I型干擾素至今已發(fā)現INF-α、β、ω、κ、τ、δ等6種類型，而II型干擾素迄今為止僅發(fā)現INF-γ一種（Domeika, 2003）。由于干擾素具廣譜、高效抗病毒功能，及其對免疫系統起關鍵調節(jié)作用，因此成為當今免疫學、遺傳學和分子生物學研究最為活躍的領域之一。
　　2、豬干擾素及其基因結構
　　目前所發(fā)現的豬干擾素包括INF-α、β、ω、δ和INF-γ，并且INF-δ未在其它物種中發(fā)現（Domeika, 2003）。豬INF-α、ω分別是由12個和5個以上的相關功能基因編碼的蛋白質家族，這些兩種干擾素的各亞型之間同源性很高，天然INF-α常常是INF-α、ω功能基因表達產物的混合體，而INF-β、δ和INF-γ僅由單一基因編碼（Bonnardiere, et al., 1994）?，F在已完成基因克隆、測序和定位的豬干擾素基因主要包括INF-α、β、ω和INF-γ，匯總如下：
　　3、干擾素作用機理
　　3.1、干擾素主要生物學功能
　　3.1.1、干擾素作用特點 作為機體最重要的細胞因子之一，干擾素主要生物學功能體現為廣譜的抗病毒活性和免疫調節(jié)功能，其作用特點可概括為（楊業(yè)華主編，2000；周光炎主編，2000）：1、干擾素屬誘生蛋白，正常細胞一般不自發(fā)產生干擾素，在受誘生劑（包括病毒、細菌和某些化學合成物質）激發(fā)后，干擾素基因去抑制而表達；2、干擾素系統是目前所知的發(fā)揮作用最快的第一病毒防御體系，可在很短時間（幾分鐘內）使機體處于抗病毒狀態(tài)，并且機體在1-3周時間內對病毒的重復感染有抵抗作用；3、干擾素的抗病毒效應是通過與靶細胞受體結合，誘導抗病毒蛋白（AVP）而間接發(fā)揮作用，對病毒起抑制作用而非殺滅；4、干擾素具有種屬特異性，并且不同病毒、不同細胞對干擾素敏感性不同；5、I型和II型干擾素發(fā)揮不同效應，不能相互替代。
　　3.1.2、干擾素主要生物學功能 目前對INF-α、β、γ生物學功能和作用機理研究報道較多，I型和II型干擾素來源不同（INF-α主要由單核巨噬細胞產生，INF-β來源于成纖維細胞，而INF-γ主要產生于αβT細胞、γδT細胞和NK細胞），揮發(fā)的生物學效應存在一定差異。干擾素的主要生物學功能可概括為（Samuel,2001）：1、廣譜抗病毒功能：I型和II型干擾素基因均可經誘導劑激活而表達，表達產物通過特定信號轉導通路，激活干擾素誘導基因的轉錄，機體合成多種具阻斷病毒復制功能的抗病毒酶和蛋白質，抵抗病毒對機體細胞的感染；2、免疫調節(jié)功能：I型干擾素可增強MHC-I類分子表達，而強烈抑制MHC-II類分子表達；II型干擾素可促進MHC-II類分子表達，兩類干擾素的協同調節(jié)作用，使機體處于最佳免疫應答狀態(tài)。此外INF-γ的生成可促進Th0細胞向Th1分化，而抑制Th2的生成，由于Th1和Th2分別介導機體細胞免疫和體液免疫，因此INF-γ可根據不同病原感染，與其它細胞因子（如IL-4等）共同作用，對機體進行免疫干預，實現免疫系統防御功能。3、免疫增強功能：I型和II型干擾素均可刺激NK細胞并增強其殺傷功能，有利于機體清除病毒感染；此外INF-γ是主要的巨噬細胞活化因子（macrophage-activating factor，MAF），促進巨噬細胞吞噬能力和炎癥反應，并可直接促進T、B細胞分化和CTL成熟，刺激B細胞分泌抗體，從而增強機體免疫機能。
　　3.2、干擾素抗病毒機理 干擾素基因的激活和表達是機體第一道病毒防御體系，它先于機體的免疫應答反應。雖然干擾素還具其它多種生物學功能（如對免疫系統的調控、影響細胞生長、分化和凋亡等），但干擾素對入侵病毒的非特異性抑制功能，對于許多疾病的預防和治療意義重大。
　　根據對人和小鼠的相關研究，干擾素對病毒的防御反應主要是通過信號轉導和轉錄激活通路，導致一系列受干擾素調控基因表達，生成多種直接作用于入侵病毒的酶和蛋白質，保護機體免受感染,其中JAK-STAT通路是干擾素介導的信號轉導和轉錄激活的主要方式（Samuel,2001）。JAK為Janus家族的蛋白酪氨酸激酶，包括Jak-1、Jak-2、 Jak-3、 Tyk-2，STAT（signal transducer and activator of transcription）即細胞轉導與轉錄激活因子（包括STAT-1、STAT-2、STAT-3、STAT-4、STAT-5a、STAT-5b、STAT-6），其中Jak-1、Jak-2、 Tyk-2與STAT-1、STAT-2直接參與了干擾素介導的JAK-STAT信號轉導通路。JAK-STAT通路具體過程可表示為（周光炎主編，2000；Samuel,2001）：（1）首先從受誘導表達的INF-α/β和INF-γ分別與異構二聚體受體INFAR1-INFAR2和INFGR1-INFGR2的胞外區(qū)結合開始，由此激活與兩種受體胞內區(qū)相連的蛋白酪氨酸激酶Jak-1、Tyk-2與Jak-1、Jak-2；（2）STAT-1、STAT-2在Jak-1、Tyk-2催化作用下，使蛋白鏈特定位置的酪氨酸磷酸化并形成異二聚體，再與干擾素調節(jié)因子-9（INF-9）形成三聚體，而兩分子的STAT-1在Jak-1、Jak-2作用下形成同源二聚體；（3）形成的三聚體和同源二聚體分別與染色體的ISRE元件和GAS元件結合，從而激活各種抗病毒基因啟動子，生成多種抗病毒蛋白，參與機體的病毒防御快速反應。
　　由干擾素誘導生成的抗病毒蛋白主要包括：（楊業(yè)華主編，2000；Samuel,2001）（1）雙鏈RNA依賴性蛋白激酶（PKR，常稱為P1/eIF-2α），主要功能為阻斷宿主細胞mRNA合成病毒蛋白質；（2）2'，5'腺苷酸合成酶（2',5'-oligoadenylate synthetase，OAS），主要功能為激活內源性RNase L，活性RNase L可降解病毒mRNA；（3）腺苷脫氨酶I（adenosine deaminase 1，ADAR1），可將病毒RNA中堿基A修飾為I而阻止病毒蛋白質合成；（4）Mx蛋白（一種GTP結合蛋白），可與病毒核蛋白結合而損傷病毒衣殼蛋白；（5）氮氧化物合成酶（nitric oxide synthase，NOS），可使機體產生NO，NO在免疫防衛(wèi)中可發(fā)揮重要作用。
　　4、干擾素基因在豬抗病育種中的應用展望
　　4.1、畜禽抗病力性狀的遺傳基礎 畜群對大多數疾病的抗性與其他重要經濟性狀同屬數量性狀，受微效多基因與環(huán)境的共同影響（Axford et al.，2000）。研究表明畜禽對多數呼吸道、消化道類疾病的抗病力性狀存在加性遺傳方差：Lundheim通過估計公畜遺傳方差組分，估計瑞典豬群對呼吸道疾病易感性h2為0.14，萎縮性鼻炎易感性h2為0.16（1979）；腸道疾病的h2為0.59（1988）。Pryztulski and Porzeczkowska (1980)估計了豬對螺旋體的抗病力h2為0.20-0.21；Bumstead et al.（1991）分析了8個不同雞的近交系試驗對7種不同種球蟲、沙門氏桿菌、大腸桿菌、馬立克氏病毒、傳染性支氣管炎病毒以及5種禽白血病病毒的抗性，結果表明，各種近交系對病原的抗性均存在差異，結果表明畜禽抗病力大多受多基因及環(huán)境效應共同影響。
　　盡管數量性狀的多基因效應為開展豬特定病原抗病力選育奠定了理論基礎，但在育種實踐中至今仍存在待以解決的問題，具體表現為：（1）對特定疾病抗性的直接選擇所耗費的成本和對生產造成的損失極其巨大；（2）選擇對某種病原的抗性可能導致對其它病原的易感性；（3）對特定病原的抗性的間接選擇，實質上導致對病原本身生存力的同步正向選擇，進而阻礙了畜禽抗病力的選擇效果（Gandon et al.,2001）。
　　因此對畜禽先天的、無病原特異性的綜合防御能力—綜合抗病力的選擇成為畜禽抗病育種研究的重要內容，而尋找控制綜合抗病力主效基因（QTL）或遺傳標記，是開展畜禽綜合抗病力選育重要手段。
　　4.2、干擾素與抗病力的關系 干擾素強大的抗病毒和多種免疫調節(jié)功能，使得干擾素基因有可能成為豬抗病力選育的理想侯選基因。迄今為止，有關豬干擾素基因的遺傳多態(tài)性與綜合抗病力的相關分析的研究仍未見報導。但有關人類疾病與干擾素基因多態(tài)性相關分析的研究報道對今后開展豬抗病力選育的研究具一定借鑒作用：如不同IFN-γ基因型與日本國內腎病的易感性顯著相關（Masutani et al.,2003）；IFN-γ基因存在一與人肺炎易感群有關的單核苷酸標記（Lopez-Maderuelo et al，2003）；人對乙肝病毒的易感性與IFN-γ基因表達量差異有關（Ben-Ari et al.，2003）；Lio et al.（2002）、Stassen et al.（2002）、Lu et al（2002）也報導了類似研究結果。
　　此外，大量體內和體外試驗表明，豬干擾素對生產具重大威脅的傳染病病毒均具有防御和抑制作用。一系列體外試驗表明：用IFN-γ處理感染PRRSV(繁殖與呼吸綜合征病毒)的豬巨噬細胞，可抑制PRRSV增殖（Bautista & Molitor，1999)；用重組interferon-γ處理Marc-145細胞后，可抑制PRRSV野毒株和細胞適應性毒株增殖（Rowland ，2001)；豬IFN-α/β能有效抑制口蹄疫病毒的活力（Chinsangaram et al.，1999）；:豬重組IFN-γ可抑制感染傳染性胃腸炎冠狀病毒的豬上皮細胞和肺巨噬細胞中病毒復制（Charley B, et al，1988)；豬INF-γ可抑制感染豬瘟病毒的單核細胞和肺巨噬細胞的病毒復制（Esparza et al,1988）。動物體內試驗表明，同時注射豬瘟疫苗和干擾素，可增強對豬瘟病毒的防御能力（Suradhat，et al. 2001）；感染TGEV的仔豬，可在腸道上皮組織中迅速產生抗TGEV的IFN-α（Riffault et al.，2001)。
　　4.3、展望
　　基于上述研究報導，豬干擾素對許多重大傳染病致病病毒具有效的防御功能，以及人類干擾素基因存在與疾病易感性相關的多態(tài)性，可以推測豬干擾素基因存在與豬綜合抗病力相關的遺傳多態(tài)性，有可能在豬抗病育種研究中作為理想的侯選主效基因，但開展相關研究的前提是需要對綜合抗病力指示表型性狀進行篩選和確立和準確測定。
　　畜禽抗病育種研究方興未艾，免疫學和分子生物學理論和技術的日新月異將進一步促進畜禽抗病育種技術發(fā)展和完善