殷海成,黃進(jìn),賈峰,鄭鑫
(河南工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院,河南 鄭州 450001)
魚粉和豆粕是動(dòng)物飼料中常用的蛋白源,但因魚粉資源短缺、價(jià)格偏高,用豆粕替代魚粉已成為降低飼料成本的現(xiàn)實(shí)選擇。然而動(dòng)物尤其是幼齡動(dòng)物攝食高水平添加的豆粕飼料常常導(dǎo)致過敏反應(yīng)。主要原因在于豆粕含有多種抗原蛋白成分,如大豆球蛋白、大豆β-伴球蛋白等,其中,β-伴球蛋白(β-conglycinin)不僅含量多、熱穩(wěn)定性好,且抗原性強(qiáng),是導(dǎo)致幼齡動(dòng)物發(fā)生過敏反應(yīng)最強(qiáng)的抗原蛋白[1]。當(dāng)幼齡動(dòng)物攝入大豆β-伴球蛋白后,其中的大部分被分解消化,僅有微量通過跨細(xì)胞和/或旁細(xì)胞途徑進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng),由抗原提呈細(xì)胞提呈給T細(xì)胞,進(jìn)而刺激B細(xì)胞并產(chǎn)生特異性IgE抗體,使機(jī)體致敏;當(dāng)大豆β-伴球蛋白再次與特異性IgE抗體結(jié)合,會(huì)引起過敏,導(dǎo)致機(jī)體免疫系統(tǒng)功能紊亂和誘發(fā)腸道及全身性病理變化,使生長受阻,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[2]。Wu等[3]證實(shí),大豆β-伴球蛋白會(huì)導(dǎo)致斷奶仔豬腸道過敏損傷及炎癥相關(guān)細(xì)胞因子TNF-α、IL-1β、IL-8、IFN-γ等的表達(dá)增加;吳莉芳等[4]在不同食性魚類飼料中添加60 mg/g大豆球蛋白和40 mg/g的大豆β-伴球蛋白,發(fā)現(xiàn)2種抗原蛋白均能引起免疫系統(tǒng)紊亂和腸道炎癥反應(yīng),腸道炎癥細(xì)胞因子TNF-α、IL-1β、IL-4和IFN-γ表達(dá)顯著上調(diào);Guo等[5]通過基因表達(dá)獲得93%純度的大豆β-伴球蛋白,灌服大鼠后發(fā)現(xiàn)發(fā)生了Ⅰ型超敏反應(yīng),導(dǎo)致大鼠腸肥大細(xì)胞數(shù)量增加,脫顆粒明顯,血和脾臟中的IL-2、IL-4、IL-5含量增加;類似結(jié)果在犢牛試驗(yàn)中也觀察到[6]。然而,大豆β-伴球蛋白是否引起動(dòng)物頭腎組織表達(dá)炎性細(xì)胞因子變化的研究報(bào)道不多,對于魚類的研究更少。
頭腎是硬骨魚類的多功能器官,不僅參與魚類排泄也參與免疫和造血功能,尤其在調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞增殖分化和抗過敏免疫反應(yīng)方面具有重要作用[7],因此,開展魚類頭腎免疫相關(guān)基因表達(dá)研究,不僅有助于深化其參與免疫調(diào)節(jié)的機(jī)理,還可針對養(yǎng)殖過程中的增強(qiáng)免疫調(diào)節(jié)及病害防控提供依據(jù)。黃河鯉Cyprinuscarpiohaematopterus是目前中國北方地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖的珍貴品種,例如河南省水產(chǎn)科學(xué)研究院培育的第8代品種(登記號(hào):GS01-001-2004),隨著養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴(kuò)大和豆粕的大量運(yùn)用,由豆粕等含大豆抗原蛋白產(chǎn)品導(dǎo)致其免疫功能紊亂及過敏性炎癥反應(yīng),甚至繼發(fā)其他類型的疾病,給黃河鯉養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。為此,本研究中以黃河鯉為試驗(yàn)對象,通過飼料中添加不同水平的大豆β-伴球蛋白替代飼料中的魚粉蛋白,探討不同水平的大豆β-伴球蛋白對黃河鯉頭腎中TLR2/NF-κB p65信號(hào)通路及下游關(guān)鍵炎性因子表達(dá)的變化,以期了解大豆β-伴球蛋白對黃河鯉頭腎免疫功能造成的影響,為淡水魚類飼料中合理添加豆粕提供數(shù)據(jù)參考。
試驗(yàn)用黃河鯉購于河南省水產(chǎn)科學(xué)研究院種魚繁殖場,并在河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院魚類營養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行為期2周的馴化,馴化期間用魚粉配制全價(jià)飼料進(jìn)行飼喂。
1.2.1 大豆β-伴球蛋白的分離純化及試驗(yàn)飼料的制備 采用簡化膜中間試驗(yàn)法[8]分離提取大豆β-伴球蛋白(純度為89.3%),用于替代黃河鯉飼料中魚粉蛋白。以魚粉、玉米蛋白粉和大豆β-伴球蛋白為蛋白源,以面粉、糊精、魚油、豆油等為能源,以麥麩、纖維素為輔料,配制含大豆β-伴球蛋白為0%(對照組)、1.0%、3.0%、5.0%和7.0%的5組等氮(粗蛋白質(zhì)38.0%)、等能(17.0 MJ/kg)飼料,分別記為A、B、C、D、E組,其飼料組成及營養(yǎng)水平見表1、表2。除油脂外的其他各原料組分經(jīng)粉碎過60目篩,按配方稱重,逐級(jí)放大混合,加油、加水拌勻,用SLKL-120B型制粒機(jī)(曲阜市圣魯機(jī)械廠)制成直徑為 2.0 mm的顆粒飼料,于40 ℃下烘干6 h,4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>
表1 飼料組成(干物質(zhì))
注:其他成分包括玉米蛋白粉18.0%、糊精8.0%、面粉12.0%、麥麩16.0%、魚油1.4%、氯化膽堿0.5%、預(yù)混劑2.9%;預(yù)混料為每千克日糧提供:維生素A 15 000 IU、維生素E 60 mg、維生素D33000 IU、維生素K35 mg、維生素B120 mg、維生素B230 mg、維生素B615 mg、維生素B120.5 mg、煙酸200 mg、葉酸5 mg、肌醇1000 mg、生物素3.0 mg、泛酸鈣50 mg、鐵 30 mg、銅 3 mg、錳 15 mg、碘 0.8 mg、鎂 0.7 g
Note:In each diet, the followings are supplied: corn gluten 18.0%, dextrin 8.0%, wheat meal 12.0%, wheat bran 16.0%, fish oil 1.4%, choline chloride 0.5%, and premix 2.9%; The premix provides following per kg of diet: VA 15 000 IU, VE 60 mg, VD33000 IU, VK35 mg, VB120 mg, VB230 mg, VB615 mg, VB120.5 mg,niacin 200 mg, folic acid 5 mg, inositol 1000 mg, biotin 3.0 mg, calcium pantothenate 50 mg, Fe 30 mg, Cu 3 mg, Mn 15 mg, I 0.8 mg, and Mg 0.7 g
表2 飼料營養(yǎng)水平(干物質(zhì))
注:營養(yǎng)水平為實(shí)測值
Note:Nutrient levels are determined in values
1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及養(yǎng)殖管理 馴化結(jié)束后,隨機(jī)選擇225尾體質(zhì)量為(41.00 ± 0.12)g的黃河鯉分成5組,每組設(shè)3個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)15尾魚,分養(yǎng)于裝自動(dòng)循環(huán)微流水系統(tǒng)的15個(gè)水族箱中,養(yǎng)殖試驗(yàn)共進(jìn)行21 d。試驗(yàn)期間,每天9:00和17:00投喂試驗(yàn)飼料,投喂量分別為體質(zhì)量的1.4%和1.6%。整個(gè)試驗(yàn)期間,養(yǎng)殖用水為曝氣的自來水,水溫為25~27 ℃,溶氧大于6.0 mg/L,pH為6.8。
1.2.3 樣品采集 分別在試驗(yàn)的第1、7、14、21 天從各重復(fù)組隨機(jī)取幼鯉3尾,用MS-222(0.03%)麻醉后,立即于4 ℃條件下解剖取其頭腎。用預(yù)冷的PBS(pH 7.2)清洗,液氮冷凍后于-80 ℃冰箱中保存。
1.2.4 頭腎TLR2/NF-κB p65和炎性因子表達(dá)檢測 采用Trizol Reagent Kit提取黃河鯉頭腎總RNA,利用核酸內(nèi)切酶Dnase水解頭腎中的總RNA中的DNA,采用10 g/L瓊脂糖凝膠電泳檢測RNA的完整性,用掃描分光光度計(jì)(Beckman DU-800)測定吸光度,根據(jù)OD260 nm/OD280nm值確定RNA質(zhì)量。然后以mRNA為模板逆轉(zhuǎn)錄合成cDNA(大連寶生物工程有限公司,中國)。實(shí)時(shí)定量PCR按照課題組前期研究方法[9],以合成的cDNA為模板和β-action為內(nèi)參基因檢測黃河鯉頭腎中TLR2、NF-κBp65、IL-1β、IL-6、TNF-α1、IFN-γ的表達(dá)量,利用2-ΔΔCt=2-Ct(目的基因)-Ct(管家基因)進(jìn)行相對表達(dá)豐度分析。目的基因引物序列見表3。
表3 目的基因引物序列
試驗(yàn)數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean ± S.D.)表示,采用SPSS 17.0軟件對各時(shí)間點(diǎn)所取樣品的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA),利用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)確定取樣時(shí)間與添加劑量的交互作用,用Duncan法進(jìn)行多重比較,顯著性水平設(shè)為0.05。
飼料中大豆β-伴球蛋白添加劑量和飼喂時(shí)間顯著影響黃河鯉頭腎的TLR2和NF-κBp65表達(dá)(P<0.05),但二者間無交互作用(P>0.05)(表4)。
表4 β-伴球蛋白劑量和時(shí)間對各基因表達(dá)的雙因素方差分析
Tab.4 Two-way ANOVA of dietary β-conglycinin levels and time on expression of various genes
因素factorTLR2NF-κBp65IL-1βIL-6TNF-α1IFN-γ劑量dose??????時(shí)間period?????ns劑量×?xí)r間nsnsnsnsnsns
注:*表示有顯著性影響(P<0.05);ns表示無顯著性影響(P>0.05)
Note: *means significant effect(P<0.05);ns means no significant effect(P>0.05)
從表5可見:隨時(shí)間的延長,飼料中大豆β-伴球蛋白各添加量組中黃河鯉頭腎TLR2、NF-κBp65相對表達(dá)量總體呈先升高后降低的趨勢,總體上在第14天時(shí)相對表達(dá)量最高;在第1天時(shí),隨著大豆β-伴球蛋白添加量的增加,各處理組中TLR2和NF-κBp65表達(dá)量上調(diào),最高為7.0%添加組且顯著高于對照組、1.0%和3.0%添加組(P<0.05);在第7、14、21天時(shí),對照組的黃河鯉頭腎TLR2和NF-κBp65表達(dá)量與1.0%添加組無顯著性差異(P>0.05),但均顯著低于其他添加組(P<0.05),各時(shí)間點(diǎn)下,TLR2 和NF-κBp65最高表達(dá)量分別出現(xiàn)在5.0%和7.0%添加組。
大豆β-伴球蛋白添加劑量和飼喂時(shí)間顯著影響黃河鯉頭腎的IL-1β、IL-6和TNF-α1表達(dá)(P<0.05),但二者間無交互作用(P>0.05);而IFN-γ表達(dá)僅受添加劑量的顯著影響(P<0.05)(表4)。
從表6可見:隨著時(shí)間的延長,飼料中大豆β-伴球蛋白各添加量組黃河鯉頭腎中IL-1β、IL-6、TNF-α1和IFN-γ相對表達(dá)量總體呈先升高后降低的趨勢,總體上在第14天時(shí)相對表達(dá)量最高;在第1天時(shí),隨著大豆β-伴球蛋白添加量的增加,各組黃河鯉頭腎IL-1β、IL-6和TNF-α1表達(dá)上調(diào),IFN-γ表達(dá)先增后降,其中,7.0%添加組的IL-1β和IL-6表達(dá)量最高且顯著高于其他組(P<0.05),而7.0%添加組TNF-α1表達(dá)量和5.0%添加組IFN-γ表達(dá)量最高且顯著高于對照組和1.0%組(P<0.05);第7天時(shí),各組黃河鯉頭腎中IL-1β、IL-6、TNF-α1和IFN-γ表達(dá)與第1天時(shí)相似,其中,5.0%和7.0%添加組的IL-1β、IL-6、TNF-α1表達(dá)量較高且顯著高于對照組、1.0%添加組(P<0.05),3.0%添加組的IFN-γ表達(dá)量最高且顯著高于其他組(P<0.05);第14、21天時(shí),隨著大豆β-伴球蛋白添加量的增加,各組黃河鯉頭腎IL-6表達(dá)量上調(diào),而IL-1β、TNF-α1和IFN-γ表達(dá)量先增后降;其中,7.0%添加組IL-6表達(dá)量最高且顯著高于對照組、1.0%和3.0%組(P<0.05);5.0%組IL-1β和TNF-α1表達(dá)量最高且顯著高于對照組、1.0%組(P<0.05);而IFN-γ表達(dá)最高值出現(xiàn)在3.0%組。
表5 飼料中不同水平的大豆β-伴球蛋白對黃河鯉頭腎TLR2/NF-κBp65基因相對表達(dá)量的影響
Tab.5 Effects of dietary β-conglycinin levels on relative expression levels of TLR2/NF-κB p65 mRNA in head kidney of juvenile common carpCyprinuscarpiohaematopterus
大豆β-伴球蛋白水平/%β-conglycininlevelTLR2NF-κBp651d7d14d21d1d7d14d21d0(對照)1.00±0.00c1.04±0.00c1.05±0.01c1.08±0.01c1.00±0.00c1.01±0.00c1.01±0.00c1.04±0.01c1.01.07±0.01c1.33±0.02c1.32±0.02c1.24±0.01c1.03±0.01c1.11±0.01c1.14±0.01c1.12±0.02c3.01.19±0.02b2.61±0.01b3.14±0.02b3.29±0.02b1.06±0.00c1.30±0.01b1.28±0.01b1.31±0.02b5.01.37±0.02ab4.02±0.03a4.27±0.03a4.01±0.03a1.13±0.01ab1.57±0.03ab1.66±0.03a1.48±0.01a7.01.42±0.02a3.58±0.03ab4.01±0.02ab3.45±0.03ab1.15±0.02a1.71±0.01a1.69±0.02a1.53±0.03a
注:同列中標(biāo)有不同字母者表示組間有顯著性差異(P<0.05),標(biāo)有相同字母者表示組間無顯著性差異(P>0.05),下同
Note:The means with different letters within the same column are significantly different in the groups at the 0.05 probability level, and the means with the same letters within the same column are not significant differences, et sequentia
表6 飼料中不同水平的大豆β-伴球蛋白對黃河鯉頭腎IL-1β、IL-6、TNF-α1和IFN-γ基因相對表達(dá)量的影響
Tab.6 Effects of dietary β-conglycinin levels on relative expression levels ofIL-1β,IL-6,TNF-α1 andIFN-γmRNA in head kidney of juvenile common carpCyprinuscarpiohaematopterus
大豆β-伴球蛋白水平/%β-conglycininlevelIL-1βIL-6TNF-α1IFN-γ1d7d14d21d1d7d14d21d1d7d14d21d1d7d14d21d0(對照)1.00±0.00c1.01±0.00c1.03±0.01c1.07±0.01c1.00±0.00c1.02±0.01c1.03±0.01c1.06±0.01c1.00±0.00c1.09±0.01c1.12±0.01c1.13±0.01c1.00±0.00c1.02±0.00c1.06±0.01c1.10±0.01c1.01.02±0.01c1.06±0.01c1.13±0.02c1.09±0.02c1.16±0.02c1.44±0.01b1.75±0.03b1.45±0.01b1.16±0.02bc1.19±0.01c1.31±0.02c1.25±0.01c1.22±0.01b1.85±0.01b1.98±0.02b1.88±0.03ab3.01.09±0.01b3.66±0.05b5.01±0.04a4.12±0.03a1.28±0.02bc1.83±0.02b2.99±0.01b2.41±0.02b1.35±0.02b2.82±0.01b3.74±0.04b2.37±0.02b1.43±0.03ab2.29±0.02a2.97±0.02a2.08±0.03a5.01.13±0.01b4.45±0.03ab5.51±0.03a3.23±0.02ab1.32±0.01b1.97±0.03a3.79±0.02ab2.63±0.02a1.79±0.03a3.81±0.03ab5.73±0.03a4.27±0.03a1.72±0.03a1.91±0.02b1.13±0.01bc1.54±0.01b7.01.74±0.03a5.06±0.03a4.30±0.02b2.75±0.03b1.48±0.02a2.14±0.03a4.28±0.03a2.94±0.03a1.82±0.03a4.14±0.04a5.35±0.03a4.03±0.02a1.14±0.01b0.95±0.00c0.81±0.01c1.12±0.02c
TLR2是進(jìn)化上相對保守的模式識(shí)別受體TLRs 家族成員之一,廣泛表達(dá)于免疫細(xì)胞、上皮細(xì)胞等多種細(xì)胞的細(xì)胞膜上,通過識(shí)別病原體相關(guān)的分子模式(Pathogen-associated molecular patterns,PAMPs)與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)結(jié)構(gòu)域及接頭分子相互作用,激活NF-κB等信號(hào)通路,釋放大量的TNF-α、IL-6、IL-1β等效應(yīng)分子參與免疫功能的調(diào)節(jié)并誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)[10]。Supajatura等[11]研究證實(shí),過敏小鼠肥大細(xì)胞的TLR2 mRNA表達(dá)上調(diào)、NF-κB移位和過度激活,釋放大量的炎性因子,說明TLR2可能對下游信號(hào)通路的異常調(diào)節(jié)而導(dǎo)致炎癥反應(yīng)的發(fā)生,推測腸上皮細(xì)胞接受大豆伴球蛋白刺激后,引起TLR2激活,產(chǎn)生炎癥反應(yīng)。頭腎作為魚類重要的免疫器官,是免疫細(xì)胞增殖分化的主要場所,對抗原應(yīng)激極為敏感;過敏反應(yīng)對頭腎的影響主要表現(xiàn)在免疫細(xì)胞的增殖分化失衡和相關(guān)炎癥細(xì)胞因子的差異表達(dá)等[7]。丁旭[12]研究發(fā)現(xiàn),在聚肌胞苷酸(Poly I∶C)刺激斜帶石斑魚頭腎白細(xì)胞1.5 h后,TLR2 mRNA表達(dá)量顯著上調(diào),3~6 h后表達(dá)量持續(xù)升高,并最終激活NF-κB,使其表達(dá)上調(diào)。本試驗(yàn)表明,TLR2/NF-κBp65表達(dá)在添加3.0%~7.0%的大豆β-伴球蛋白后,除第1天時(shí)NF-κBp65表達(dá)與對照組無顯著性差異外,其他時(shí)間點(diǎn)TLR2/NF-κBp65表達(dá)均顯著增加。TLR2/NF-κB表達(dá)增加可能與其過敏有關(guān)[13]。另外,本研究中發(fā)現(xiàn),到第21天時(shí),黃河鯉頭腎TLR2/NF-κB表達(dá)較第14天時(shí)趨于下調(diào),這可能是因?yàn)榈?1天后,黃河鯉的免疫系統(tǒng)逐漸恢復(fù)與重建,對大豆β-伴球蛋白產(chǎn)生免疫耐受。
被激活的機(jī)體免疫反應(yīng),免疫細(xì)胞和/或非免疫細(xì)胞都可合成和分泌抗炎或促炎細(xì)胞因子參與免疫等生理功能的調(diào)節(jié)。目前,關(guān)于抗原誘導(dǎo)的魚類過敏反應(yīng)研究表明,LPS誘導(dǎo)下的鱸[14]、鯉[15]頭腎白細(xì)胞IL-1β表達(dá)顯著升高;Zhang等[16]用含8%的大豆β-伴球蛋白飼料飼喂幼建鯉Cyprinuscarpiovar.jian,其腸上皮細(xì)胞IL-1β表達(dá)顯著增加;本研究前期利用大豆β-伴球蛋白誘導(dǎo)黃河鯉的腸上皮細(xì)胞也發(fā)現(xiàn)IL-1β表達(dá)上調(diào)[9]。本試驗(yàn)中,在1~14 d時(shí),IL-1β表達(dá)隨大豆β-伴球蛋白替代魚粉量的增加顯著上調(diào),同樣結(jié)果也發(fā)生在IL-6和TNF-α1細(xì)胞因子。這可能由于過敏導(dǎo)致大量的炎癥細(xì)胞浸潤黃河鯉頭腎組織,使促炎細(xì)胞因子分泌增加。而Urán等[17]認(rèn)為,炎性細(xì)胞因子分泌增加主要與大豆抗原蛋白添加量、飼喂時(shí)間有關(guān),表現(xiàn)在劑量-時(shí)間的依賴關(guān)系。IL-6是促炎細(xì)胞因子的代表,并通過正反饋調(diào)節(jié),加速免疫細(xì)胞進(jìn)一步增殖分化及B細(xì)胞分泌IgE抗體,從而促使過敏反應(yīng)的快速發(fā)生[18]。本試驗(yàn)中,添加1.0%的大豆β-伴球蛋白組,第7天時(shí)IL-6表達(dá)量較對照組顯著增加,而IL-1β和TNF-α1表達(dá)量與對照組無顯著性差異,說明過敏反應(yīng)中IL-6表達(dá)較快;隨大豆β-伴球蛋白替代魚粉量的增加,第7~14天時(shí)IL-1β、IL-6和TNF-α1表達(dá)量快速增加,表明大豆β-伴球蛋白引起的黃河鯉過敏呈現(xiàn)劑量-時(shí)間的依賴關(guān)系。但在第21天時(shí),IL-1β、IL-6 和TNF-α1表達(dá)量有所降低,低于第14天時(shí)的表達(dá),其主要原因可能是黃河鯉的免疫系統(tǒng)逐漸恢復(fù)與重建及TLR2/NF-κBmRNA表達(dá)下調(diào)引起。另外,在機(jī)體抗過敏的免疫應(yīng)答中,IFN-γ同樣發(fā)揮重要作用,不僅可激活T細(xì)胞以啟動(dòng)細(xì)胞免疫,還能夠促進(jìn)CD4+T細(xì)胞向Th1細(xì)胞的分化,以抑制過敏反應(yīng)引起的IL-1β和TNF-α1表達(dá)增加[19]。本試驗(yàn)中,1.0%和3.0%的大豆β-伴球蛋白替代魚粉組,IFN-γ的表達(dá)量顯著高于對照組,而7.0%的大豆β-伴球蛋白替代魚粉組,IFN-γ的表達(dá)量在第7、14和21天時(shí)又與對照組無顯著性差異,而IL-1β、IL-6 和TNF-α1表達(dá)則顯著高于對照組,說明在炎性反應(yīng)過程中,產(chǎn)生的IFN-γ不足以下調(diào)IL-1β和TNF-α1表達(dá)[18]。IFN-γ表達(dá)在第21天時(shí)與IL-1β、IL-6 和TNF-α1表達(dá)不同,不降反升,可能是因?yàn)辄S河鯉免疫系統(tǒng)的恢復(fù)使IFN-γ的表達(dá)回升,但確切機(jī)制還需進(jìn)一步研究。
綜上所述,大豆β-伴球蛋白能促進(jìn)黃河鯉頭腎內(nèi)TLR2/NF-κB p65信號(hào)通路及炎性因子的表達(dá),表現(xiàn)為劑量-時(shí)間依賴關(guān)系,但無交互作用。