谷氨酰胺對水生動物免疫的影響及機理

許友卿 李偉峰 丁兆坤

(廣西大學水產科學研究所，南寧 530004)

在應激、受傷、疾病等狀態下，機體對谷氨酰胺(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是機體發生應激、受傷、疾病時的條件必需氨基酸［2］。具有α－酮戊二酸碳架結構的Gln可通過體細胞三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle，TCA)氧化供能，同時它又是核苷酸、谷氨酸和谷胱甘肽(glutathione，GSH)生物合成的前體［3－4］。Gln 還能減少促炎癥細胞因子的表達，改善腸道屏障功能，改進免疫細胞功能，提高應激反應能力［5］。在機體中，尤其是血漿中，Gln是最豐富的游離α－氨基酸［6］，也是免疫細胞和腸道黏膜細胞的重要燃料和代謝前體［7］，具有促進腸道黏膜修復、淋巴細胞增殖、巨噬細胞分裂和分化的作用，在調節免疫功能方面具有重要意義［8］。

目前，對于Gln的研究主要集中在人和陸生動物上，在水生動物上的研究較少。隨著海洋科學和水產養殖業的發展，加強Gln在水生動物上的應用研究是歷史使然。因此，本文將圍繞Gln對水生動物免疫的影響及機理進行綜述，旨在促進Gln在水生動物上的研究及科學應用。

1 Gln對水生動物免疫的影響

1.1 Gln對水生動物體液免疫的影響

Gln對B淋巴細胞轉化、漿細胞形成和免疫球蛋白(immunoglobulin，Ig)合成與分泌有明顯的促進作用。補充Gln能增加腸內淋巴細胞中谷氨酰胺酶(glutaminase)的活性，從而增加對Gln的利用，有效維護淋巴細胞的功能，促進漿細胞生成分泌型免疫球蛋白A(secretory immunoglobulin A，SIgA)，對防治創傷后腸道細菌和毒素的移位具有重要意義［9］。在飼料中補充 Gln能緩解脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)的毒性及其對細胞免疫功能的抑制，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)則與機體免疫功能密切相關。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，當添加 1.0% 丙氨酰谷氨酰胺［N(2)－L－alanyl－L－glutamine，Ala－Gln］時，GLB 含量的提高效果最佳，但是對ALB含量的影響不顯著［11］。

Ala－Gln可顯著提高試驗對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，降低肝胰腺細胞凋亡率，增加腸絨毛高度，改善蝦體健康狀況［12］。

1.2 Gln對水生動物細胞免疫的影響

前已述及，Gln不僅是活細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對細胞的增殖具有重要的作用。Rosenberg－Wiser等［13］研究表明，在鯉魚(Cyprinus carpio)白細胞與植物血球凝集素(phytohemagglutinin，PHA)的反應中，Gln可促進白細胞的增殖。飼料中補充Gln可顯著升高中華鱉CD4+/CD8+和T淋巴細胞轉化率，表明Gln可增強中華鱉的細胞免疫功能［14］。添加Gln影響外周血中白細胞的總量和各種白細胞的數量，可能與Gln促進細胞分裂相關，因為Gln可為嘧啶和嘌呤提供氮源［15］。

1.3 Gln對水生動物抗氧化應激的影響

乳酸脫氫酶(lactic dehydrogenase，LDH)、丙二醛(malondialdehyde，MDA)和蛋白質羧基化合物均是反映機體氧化損傷的指標。研究發現，Gln能阻止受H2O2刺激建鯉(Cyprinus carpio var.Jian)對 LDH、MDA和蛋白質羧基化合物的釋放［16］。當機體內活性氧(reactive oxygen species，ROS)濃度超過細胞的抗氧化能力時，會發生氧化應激，導致脂質、DNA和蛋白質氧化損傷［17］，使多種細胞凋亡［18］。機體內超氧化物歧化酶(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胞結構方面起著重要作用。在應激狀態下，血液中SOD、GSH－Px活性降低，脂質過氧化物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是主要的內生抗氧化劑，能保護細胞免受氧化應激。GSH/氧化型谷胱甘肽(oxidized glutathione，GSSG)是細胞內主要的氧化還原緩沖對，也是細胞內氧化還原環境的代表性指標，細胞內氧化還原狀態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］，不但可以調節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］。研究發現，Gln 能阻止H2O2降低 SOD、過氧化氫酶(catalase，CAT)、GSH－Px、GR、谷胱甘肽 S － 轉移酶(gultathione S transferase，GST)活性，GSH含量以及 GSH與GSSG比例，從而有效地保護建鯉腸道上皮細胞免受H2O2誘導的氧化應激［16］。適量添加Gln可以提高哲羅魚(Hucho taimen)仔魚腸道抗氧化應激的能力［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對水生動物抗病力的影響

當水生動物處于應激狀態或患病時，體內循環的Gln水平會下降。硬骨魚的免疫系統依賴Gln作為能源和合成核苷酸，已在斑點叉尾(Ictalurus punctatus)肝臟、腎臟和鰓組織上檢測到Gln合成酶的存在［26］。Gln是細胞凋亡的抑制劑，有助于阻止由外源因子或細胞內刺激誘導的細胞凋亡［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的免疫調節機理

2.1 Gln通過供能和抗氧化作用影響免疫調節

Gln是機體和血漿中最豐富的游離α－氨基酸［6］，是免疫細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］，促進免疫細胞的生長和增殖。Gln缺乏可導致ROS合成增加，進而使線粒體內的GSH消耗增加，損害線粒體功能，減少細胞內ATP的產生，從而延緩細胞增殖，減少細胞因子的產生，使細胞凋亡增加。GSH在免疫系統抗感染和炎癥反應中發揮著重要作用［30］，而Gln是合成GSH的前體［3］。腸道組織中富含 L－Gln的大鼠，可有效抑制體內一氧化氮(nitric oxide，NO)的合成［31］和過氧化物的產生［32］。

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

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

2.3 Gln通過影響相關基因的表達影響免疫調節

Gln可通過影響相關基因的表達而提高免疫功能。Gln可調節多種代謝相關基因的表達、信號轉導、細胞防御和修復，還可激活細胞內信號路徑［41］。在飼糧中添加Gln能增加仔豬腸道細胞生長和氧化物清除基因的表達，同時降低促氧化應激和免疫激活基因的表達［36］。但是，目前少見Gln對水生動物基因表達影響方面的研究。

3 小結

綜上所述，Gln在水生動物的免疫調節方面具有重要作用。然而，Gln對水生動物免疫調節的機理還有待進一步闡明。今后應加強Gln對水生動物免疫影響的研究，尤其要用現代分子生物學技術加強Gln對水生動物免疫影響及機理的研究，從分子生物學水平闡明Gln的免疫調節機理。

［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，FLEMING 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養對肝癌術后患者細胞免疫狀態的影響［J］.中國生化藥物雜志，2011，32(1):63－65.

［9］ KUDSK K A，WU Y，FUKATSU 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.谷氨酰胺對內毒素刺激下中華鱉免疫功能和生產性能的影響［J］.動物營養學報，2011，23(4):662－669.

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

［12］ 葉均安，王冰心，孫紅霞，等.谷氨酰胺二肽對日本對蝦血清生化指標、肝胰腺細胞凋亡及腸黏膜形態的影響［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激反應作用機理的研究［D］.博士學位論文.雅安:四川農業大學，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，FENG 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，FREEDMAN 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］.中國水產科學，2010，17(2):351－356.

［24］ 徐奇友，王常安，許紅，等.丙氨酰－谷氨酰胺對哲羅魚仔魚生長和抗氧化能力的影響［J］.動物營養學報，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草魚組織中谷胱甘肽沉積和抗氧化能力的影響［J］.中國水產科學，2008，15(1):160 －166.

［26］ WILSON R P，FOWLKES 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.谷氨酰胺對雜交羅非魚生長、飼料利用及抗病力的影響［J］.中國水產科學，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.