粘膜先天免疫系统是抵抗病原微生物的第一道防线。 在鱼类的粘膜部位,有丰富的先天性和适应性体液和细胞成分,可以运输入侵的病原体并保护非病原微生物。 硬骨鱼的先天免疫机制在很大程度上仍未被探索。 近年来,随着微生物在宿主健康中的作用的表征以及益生菌在水产养殖中的应用,微生物群与粘膜先天免疫之间的串扰已成为硬骨鱼研究中研究最多的课题之一。 在本节中,将全面概述鱼类先天免疫系统的体液和细胞成分及其与粘膜微生物的相互作用。

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1. 硬骨鱼对微生物菌群具有固有的体液免疫反应。

鱼类粘膜分泌物中存在各种先天体液成分,包括抗菌肽(AMP)、溶菌酶、补体成分、转铁蛋白、聚集蛋白、凝集素和天然抗体。 研究表明,与哺乳动物研究类似,鱼类中的这些成分能够在体外抑制粘膜细菌,并具有维持微生物组平衡的功能(图 1)。

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图1 鱼类共生菌与自然免疫系统的相互作用

插图:(左)在稳定状态下,粘液层中存在大量的体液成分(如AMPs和溶菌酶)和天然抗体,足以保护宿主免受细菌病原体的侵害。 (右)如果细菌病原体损害早期防线,细胞和体液机制就会被激活以防止感染传播。 同时,巨噬细胞可以通过Toll样受体(TLR)等模式识别受体(PRR)识别共生细菌并立即激活。 此后,几种促炎因子(如 TNF-α、IL-1β、iNOS 和 IL-8)的基因表达水平显着增强,从而诱导先天免疫细胞募集到炎症部位。

1.1 抗菌肽

AMPs是鱼类粘膜先天免疫系统的重要组成部分,具有抗菌活性。 最近在硬骨鱼中发现了多种AMP,包括毒素、铁调素、莫诺杀菌素、短杆菌肽、抗菌蛋白、大黄酚、青霉素、生物肽蛋白和防御素。 其中毒素和铁调素在许多硬骨鱼物种中发挥着重要作用。 众所周知,它们可以对抗鱼类中的各种机会病原体,例如鳗弧菌、海豚链球菌、水单胞菌、副溶血弧菌和哈维弧菌。 此外,与哺乳动物类似,硬骨鱼 AMP 可以影响鱼类共生微生物群的组成。 例如,Ting 等人。 研究表明,利用16S扩增子序列分析,与对照组相比,饲喂rTH2-3(庚烷样蛋白)的罗非鱼肠道微生物群落中含有双歧杆菌科和毛螺菌科。 分枝杆菌科、瘤胃球菌科和拟杆菌科的丰度增加,而弧菌科的丰度下降。

1.1 溶菌酶

溶菌酶是天然免疫系统的另一种活性成分。 由于它能够裂解细菌细胞壁肽聚糖的 N-乙酰氨基碳化物和 N-乙酰葡萄糖胺之间的糖苷键,因此可用于防御病原菌。 重要角色。 在硬骨鱼中,大量的c型和g型溶菌酶存在于全身组织和粘膜组织中。 多项研究表明,感染细菌的鱼体内c型和g型溶菌酶基因的表达水平上调,表明溶菌酶在抵抗有害细菌的入侵中发挥着关键作用。

1.2 补充组件

补体成分是免疫系统的一部分,充当先天免疫和适应性免疫之间的接口。 硬骨鱼的粘膜组织中有许多补体成分。 例如,在舌鳎的肠道和鳃中检测到了 C8 转录本。 此外,还在黑鱼皮肤中研究了经典途径的关键成分(C1q和C1s)、凝集素介导/经典途径(C4)的重要成分以及参与旁路途径的成分(补体因子H和D)。 此外,在病原体入侵过程中,硬骨鱼粘膜表面补体基因的表达水平显着上调。 例如,感染气单胞菌的南方鲶鱼肠道中 C9 表达增加。 上述所有研究都分析了基因表达,并不能直接反映蛋白质功能或蛋白质丰度。 然而,还必须对蛋白质谱进行表征,以准确评估补体对体内平衡或免疫排斥的贡献。 因此,未来的研究应该确定补体缺乏是否会导致鱼类宿主微生物群稳态的破坏。

1.3 凝集素

凝集素是碳水化合物结合蛋白,由于其强大的抗菌活性而成为先天免疫的关键组成部分。 先前对鱼类的研究表明,几种凝集素可以从粘膜表面分离并诱导细菌凝集。 例如,在斑马鱼中发现了一种C型凝集素,它与革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌的凝集结合,从而增强巨噬细胞的吞噬作用。 同样,来自鲤鱼的智力素(cITLN)对革兰氏阳性菌的凝集力比对革兰氏阴性菌的凝集力更强。 此外,体外试验表明,鱼类凝集素具有抑制细菌生长或直接杀死细菌的能力。 对黑鱼的研究表明,百合型凝集素-2可以特异性结合并破坏细菌包膜。 有趣的是,凝集素相关基因在受到病原体攻击的鱼类中表达上调,进一步表明其在免疫功能中的作用。

1.4 铁

铁是致病菌和共生菌必须从宿主获得的重要营养素。 有趣的是,转铁蛋白是一种铁结合蛋白,可以很好地限制铁并抑制病原菌的生长。 已鉴定出多种鱼类转铁蛋白,并分析了它们在鱼类全身免疫组织中的转录水平。 感染嗜水气单胞菌后,在罗非鱼的肝脏、脾脏和肾脏中均可检测到转铁蛋白基因的上调。 此外,粘膜免疫在对抗这些细菌方面发挥着重要作用。 刘等人。 首次证明鱼皮肤中的转铁蛋白转录物在微生物刺激下增加,从而抑制细菌生长,并研究了其在鱼粘膜组织中潜在的致病抑制功能。 此外,通过体外实验,在嗜水气单胞菌刺激的细胞中也观察到转铁蛋白水平升高。 因此,未来可以进行类似的研究来研究转铁蛋白在微生物群稳态中的作用。

2. 对微生物菌群的先天细胞免疫反应

当病原体突破物理和化学屏障时,先天免疫细胞会形成另一道防线,例如单核细胞/巨噬细胞、中性粒细胞、树突状细胞和自然杀伤细胞。 这些先天免疫细胞识别病原体相关的分子模式并被激活,导致一系列免疫反应,例如各种细胞因子的产生、病原体的吞噬和清除,以及适应性免疫系统的进一步激活。

巨噬细胞在脊椎动物中保护宿主和维持体内平衡方面发挥着重要作用,并且在硬骨鱼中也发现了功能类似物(图1)。 在哺乳动物中,干扰素调节因子 8 对于巨噬细胞的发育至关重要。 这在斑马鱼中也得到了证实,当 IRF8 缺陷时,斑马鱼肠道巨噬细胞的数量显着减少。 因此,IRF8缺陷的斑马鱼可用于研究巨噬细胞和粘膜微生物群之间的相关性。 在irf8缺陷的斑马鱼中,主导野生型斑马鱼细菌群落的核心共生细菌(例如Fustridia和Gammaproteobacteria)的丰度严重减少。 相比之下,在野生型斑马鱼中丰度极低的Lawsonia却成为irf8缺陷型斑马鱼中的优势细菌。 这些结果表明 IRF8 和巨噬细胞缺陷可导致斑马鱼肠道菌群失调。 然而,很少有研究探讨其他鱼类中巨噬细胞和微生物群之间的相关性。

树突状细胞(DC)属于专业抗原呈递细胞(APC)家族,能够直接摄取哺乳动物中的共生菌和病原菌。 在斑马鱼和虹鳟鱼中,DC 及其表面表型分子已得到很好的表征。 不久之后,在鳟鱼的皮肤、鳃和肠道等粘膜组织中发现了特定的 DC 亚群(CD8+MHC II+ 细胞)。 根据 Granja 等人的研究,鳟鱼皮肤 CD8+MHC II+ 细胞表现出对聚苯乙烯珠以及不同类型的颗粒抗原(例如酵母聚糖)的高度吞噬作用。 此外,作者证明鳟鱼皮肤 CD8+ 树突状细胞在 Poly I:C 刺激下对 TLR3 配体做出反应,表明它们可能在抵抗双链 RNA 病毒方面发挥重要作用。 在哺乳动物中,树突状细胞可以在上皮细胞之间延伸树突,以从肠腔中采集抗原。

例如,已发现小鼠中的 CX3CR1+ DC 通过在上皮细胞中延伸长树突来采样沙门氏菌。 同样,斑马鱼研究表明,树突状细胞可以吸收鳃上皮细胞中不含表面活性剂的聚乳酸纳米颗粒。

3. 共生菌群在粘膜中形成先天免疫反应

粘膜相关微生物群在调节正常宿主发育和生理过程中发挥着关键作用。 随着鱼类不育技术的突破,最近建立了不育斑马鱼和刺鱼模型来研究宿主体内微生物的功能。 先前的研究表明,无菌斑马鱼的肠道无法完全发育和发挥功能,但当引入细菌时,这些缺陷可以得到纠正。 此外,几项针对无菌斑马鱼的研究表明,微生物群可促进肠上皮细胞的增殖,并通过 MyD88 信号通路招募肠道相关免疫细胞。 除了调节宿主发育和生理机能之外,微生物群还可以控制宿主的先天免疫反应。 微生物可以影响鱼类先天免疫的稳定状态,包括增加中性粒细胞募集、NF-κB 信号传导和促炎相关基因表达。 此外,微生物群可以调节斑马鱼的中性粒细胞活性。 此外,在受伤的鱼中,宿主相关的微生物群促进了先天免疫细胞向伤口部位的募集,并显着增加了促炎基因的表达。 例如,多项研究证明了从微生物群中分离出的益生菌在增强先天免疫系统方面的作用。 然而,尽管微生物群和鱼类之间的相互作用无疑在塑造鱼类先天免疫系统方面发挥着关键作用,但这些相互作用的潜在机制仍有待进一步研究。

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