鱼的免疫系统

鱼类的免疫系统，兼具固有免疫应答和获得性免疫应答

摘要：

鱼类，作为第一批在Devonic时期里经过了适应辐射进化过的古脊椎动物，仍然还是最成功的，最多样化的脊椎动物群体。这类异构性群体的生物体既拥有固有免疫应答也表现出的获得性免疫应答。重要的是，鱼当中也存在哺乳动物免疫系统中的会有的同源免疫器官。然而，由于它们的结构简单，当病原体入侵时这种情况可能会对固有免疫应答能力的全效发挥产生限制性。我们将对鱼类获得的的这种比高等脊椎动物还要好的固有免疫应答进行讨论。

关键词：

固有免疫获得性免疫古脊椎动物鱼进化

引言

近期有个说法，假设海洋中有1029个原核生物细胞，它们主要负责海洋生物量。这类水生媒介不仅负责微生物的运输而且帮助微生物生长。因此，许多营养链的生产能力较低归咎于无处不在的异样菌对海洋中生物碳和病毒70%的利用率，这也可能解释了水生栖息地中有1010个细胞/L。

这种自动催化功能的适应性是一个协同进化的过程，这种适应性避免了免疫系统当中微生物数量间竞争，也避免了微生物的致病性的竞争。虽然大多数无脊椎动物同种识别的效应机制我们都不清楚，最近在相对免疫应激方面的研究却强调了两种普通模式：（a）防御性信号通路的保护与非特异性免疫功能有关，（b）对脊椎动物获得性免疫的制约。

据悉，进化机制作用于现有的物质资源，但又仅限于一些存在在环境中有效的生物资源和非生物资源。动物从小个体发展到到大个体，从在环境中少数隔离发展到高度隔离群体，从对环境条件的高度依赖发展到高程度的自我调节系统。因此，日益丰富的内部环境越来越多的被创建。鱼类的免疫系统受特殊环境条件的制约，也同时受它们变温性的制约。大多数致病菌是投机性微生物，往往出现在水生微生物菌群中。分支杆菌属的肾杆菌y是非常罕见的强制性病原体，但是它们的毒性主要取决于一些环境因素如热量，离子和渗透压的变化，铁和氧可用性，污染物，富营养化等等。在鱼类中，它们的免疫活性主要赖以自身体重而不是其年龄，主要归咎于它们对免疫活性细胞的少数需求。因此，我们知道一些仔稚鱼具备处理抗原的能力，即使它们仍在依靠卵黄资源时。

固有免疫系统

超过98%的多细胞微生物能维持他们自身的健全归咎于一种固有免疫系统，这种免疫

系统基于细胞的吞噬作用和可溶性抗菌分子的分泌。因此，昆虫和哺乳动物的固有免疫应答包含抗菌肽和同源受体（Toll 在昆虫中及它们的TLR同源系化合物在哺乳动物中），它们都使用相似的调控和转录途径。

表一：在有颚鱼类和哺乳动物之间的相关免疫差异性

有鳄鱼类哺乳动物

Biotic constrictions

温度范围-2℃—35℃36.5℃—37.5℃

主要环境水空气

新陈代谢变温性温血性

功能界面Endothermia（例如金枪鱼和一些远洋型鱼类）呼吸树

黏液，皮肤，鳃

由体液引起的IgM, IgD (硬骨鱼类)

多样性Ig亚型IgM, IgX/IgR, IgW, NAR(C) (软骨鱼类) IgM, IgA, IgD, IgE, IgG

IgM 氧化还原反应形式

Ig基因重组相关种群（软骨鱼类还有一些硬骨鱼类）易位子

非特异性多样性几个C3亚型（硬骨鱼类）没有C3亚型

总体性能

抗体亲和力低高

抗体应答慢快

记忆应答弱强

亲和力成熟弱或不存在强

低温高依赖，免疫抑制应答（仅在冷血鱼类中）低依赖

淋巴器官

造血组织头肾骨髓

胸腺epigonal和间质组织，脑膜组织，

眼眶及颅下造血组织（软骨）卷依赖性，随着年龄增长而退化

受季节性变化和荷尔蒙周期

淋巴节不存在存在

内脏相关没有组织，淋巴细胞聚集，有组织，结合淋巴小结淋巴组织间质器官和螺旋阀（软骨鱼类）

生发中心不存在（黑色素巨噬细胞中心？）存在

树状细胞也许存在

这种固有免疫系统是最早的免疫机制，也具有非特异性的特征，因此不依赖于入侵者表面结构的前期识别。该系统既有被外部分子可诱导的优势，同时它也是constitutive，以及它能在很短时间内完成反应。虽然能合成许多特异性抗原受体的能力最早是有颚鱼类中发现的，但是编码免疫球蛋白超家族的基因却被更早发现，这也表明了固有免疫系统的多种潜力。

固有免疫应答是无脊椎动物和低等脊椎动物免疫防御的基础。这种关联可能要通过一些进化成功的无脊椎动物来评估，如节肢动物，它们是动物的主要种群。40%的脊椎动物物种都属于鱼类。因此，它们的免疫系统能显示出的许多特性使它们能成功的保持多样性和适应性在不同的环境中，即便是从深海到河流或湖泊的所有气候条件，甚至包括旱季和雨季。

脊椎动物显示出一种适中的形态多样性，约20,000种脊椎动物在水中发展它们的的生命周期。所有有颚的脊椎动物都有这些本质的免疫结构特征：（i）非常保守的固有免疫系统；（ii）组合免疫系统的一致发展；（iii）固有免疫系统和获得性免疫系统各组件之间的双边交流。然而，后来在进化中出现的恒温脊椎动物，尤其是哺乳动物的获得性免疫中已获得了更高专化作用。这些在脊椎动物中所获得的获得性免疫应答也许能减缓固有免疫机制的一些压力。

离体的表现型：鱼类及其免疫系统

鱼是生物的一种异质群体，它包括了无颚纲动物(七鳗类and myxines)，condryctians (sharksand rays) 及硬骨鱼类(硬骨鱼)。在所有脊椎动物中，鱼类拥有多细胞免疫应答和体液免疫免疫应答，以及中枢器官——它的主要功能是参与免疫防御。鱼和哺乳动物在免疫功能方面表现一定的相似之处，同时也存在一定的差异。考虑到这些差异归咎于个体结构和细胞组成，出现在哺乳动物中的大多数生殖的和辅助淋巴器官同样在也出现鱼中，但淋巴结和骨髓除外。鱼类的无肾小球的头肾主要承担造血功能，不像是高等脊椎动物的头肾是主要的

免疫器官，它通过黑色素巨噬细胞中心负责细胞吞噬，抗原加工处理，IgM和免疫记忆的形成。鱼类的肾是一种以Y字形状沿着轴体分布的分散器官（图二），其下部是一个很长并与肾柱平行的结构，且其大部分从事肾脏系统工作。头肾或前肾，作为活跃的免疫部位，是由两条Y字形的贯穿下部鱼鳃的臂形成。在鱼类中，这种结构具有独特的功能：头肾是一个重要的内分泌器官，其与哺乳动物的肾上腺同源，并释放皮质激素和其他的荷尔蒙。此外，它也是一个很好的神经支配器官。因此，头肾是一个具备关键的调控功能的重要器官，是免疫和内分泌相互交流及神经-免疫-内分泌相互关系的主要器官。

图二

在硬骨鱼类中，胸腺作为另一个位于鳃盖骨腔附近的淋巴器官，通过B细胞生产参与同种异体移植排斥，刺激吞噬作用和抗体生产的T淋巴细胞。鱼类胸腺的退化主要由于荷尔蒙周期以及季节性波动，而不是鱼类的年龄。黑色素巨噬细胞中心执行血液过滤及红细胞的裂解，它是由与椭球体毛细血管相关的巨噬细胞堆积所形成，而且能以免疫复合体的形式长期驻留抗原。尽管也有人提出黑色素巨噬细胞中心是承担生发中心的功能，但迄今为止仍无证据显示。

鱼类的免疫细胞显示出于脊椎动物免疫细胞相同的主要功能特点，这种特点在淋巴和骨髓免疫细胞家族中已被确定。鱼的淋巴系统是一个相对的较近进化发展，自从先于脊椎动物的大多数动物都是依赖非淋巴细胞或血清分子以后。与单克隆抗体反应相关的现有功能分析暗示出辅佐（Th）和细胞毒性的（TC）T淋巴细胞及B细胞的亚种群（B1yB2）的存在。单核细胞/巨噬细胞的细胞谱系在鱼类中被研究得最多，尽管没有准确的细胞特异性标记可供使用。因此，巨噬细胞这一词常被用来泛指不受分化地位和解剖学定位的一些吞噬细胞。迄今为止，大部分被识别的细胞因子和大部分与细胞因子调控的相关数据在单核细胞/巨噬细胞的培养中被获得。

外界屏障和体表机制

在硬骨鱼类中，与体表相关的淋巴组织分布在鱼的皮肤、鳃和肠道，从而为物理和化学防护的提供补充。在这些体表的分泌物中，会常常发现一些补体、抗体蛋白、溶菌酶、磷酸

酶和胰蛋白酶，但它们的数量和活性还是主要取决于物种。但在其他脊椎动物中暴露最多的组织是肠道、呼吸道器官和皮肤，这种组织中含有免疫活性细胞，如白细胞和上表皮原生质细胞。

鳃作为一个多功能而广泛的表层调节渗透平衡，并负责部分污氮化合物、毒气、水和离子交换物的排泄。这样就暗示出“滤食性”物种的命名由来，比如沙丁鱼，它们的鳃就执行了摄取食物这一功能。除了淋巴细胞之外，鳃小片中还有属于网状内皮系统的柱细胞。一种与MHC II的β形态的相关表达已经在一些大马哈鱼的鳃中被得以证实。

作为水生生物，鱼类的身体受到与其一直相关的不同类型微生物的侵害。体表作为首要的抵抗病原体的屏障，具备了病原入侵时不受其伤害的机制。更让人惊奇的是，一些鱼类甚至对接种到水中的强效鱼类病原菌（气单胞菌）都有抵抗能力。这些重要的体表机制是黏液分泌和各种各样的抗菌分子团体。后者是一种多肽分子，他们在溶解细菌细胞壁组件中扮演着直接和间接的作用。

在鱼类中黏液是一种重要的防御屏障。首先，因为它们可以提供酶作用底物，在这些底物中抗菌机制才能起作用。其次，在大多数鱼类种群中，黏液覆盖了大部分外表层，且以皮肤为主。尽管这是一个总体趋势，但非常明显的是大多数淡水鱼的黏液生产合成量要比海鱼的高些。此外，鱼类黏液的生产合成会显著的增加当它们在应激状态下，同时它也诱导了抗菌因子的更高效表达和活性。在特殊情况下，如在盲鳗中，黏液合成可能高达其体重的40%，这种系统可以用在免疫功能和反侵略功能上。另外一个体表结构如鱼类的鳃，它拥有并列于呼吸细胞和渗透调节细胞之间的粘液细胞。

在过去的几年中抗菌肽在鱼类中被发现。然而，还有许多工作待我们去完成，如关于抗菌肽的抗菌活性和作用机理的重要特点必须有个明确的判定。同样的，胰蛋白酶样和组织蛋白酶也在鱼类中被发现了。因此，这在鱼类免疫治疗方面是个比较有前途的领域，同时与哺乳动物对抗微生物活动体现出的多样性和灵敏性相比，它们也许有不同特点。

溶菌酶是一种在鱼类中被研究得最广的固有免疫应答。溶菌酶能作用于细菌细胞壁肽聚糖层进而导致细菌细胞壁的溶解。并且溶菌酶已经在鱼类的黏液和卵清蛋白中被发现，血清溶菌酶很可能来自于腹膜巨噬细胞和血液中性粒细胞，并且它已经被作为一种非特异性免疫应答的指示剂。溶菌酶反应已被发现它自身效价的可变性取决于种群和组织地位，但该反应又存在于所有已被研究的物种当中。看来在鱼类中会溶菌反应会被非常快速的诱导出来不仅与细菌侵入有关而且与其它警报状况也有关，比如在应激后的警报状况。因此在鱼类中的溶菌酶参与了所有的警报应答，并充当一个急性期蛋白的角色。

凝集素在低等脊椎动物和无脊椎动物中是种重要的免疫介质。并且它们能结合碳水化合物，并且这些碳水化合物涉及到对细胞壁附着。因此，凝集素能阻止这种附着作用及随后的入侵。凝集素也涉及到其它免疫机制的诱导，比如补体激活。

补体系统

鱼类与其它脊椎动物和无脊椎动物一样，通过特异受体识别病原体相关分子模式(PAMPs)来激活它们的免疫应答。这些受体担当可溶性受体(LPS-结合蛋白，正五聚蛋白，胶凝素)，或是与免疫细胞的（上皮细胞的，吞噬细胞的，树枝状的，粒细胞的）细胞膜有关联。这种补体系统好像是一个在鱼类中的免疫应答中心。这种传统的交替的凝集素途径也可能在好几种硬骨鱼群组中被阐述过。此外，也有人提出凝集素介导途径也许先于免疫球蛋白介导途径。在此，与哺乳动物相比它们也有适当的差异。首先，鱼类拥有关键活性分子C3的许多有效亚型。哺乳动物只有一种C3分子亚型，然而鱼类却可以表达几种多功能的有效C3亚型。这种C3亚型在鲑鳟鱼（硬头鳟）和青鳉鱼(稻田鱼)中有三种，在乌鲂鲷（金头鲷）和鲤鱼（鲤鱼）中有五种。在斑马鱼（斑马鱼类）中的三种C3亚型有三种指定遗传密码。硬骨鱼类的C3分子享有双链结构，尽管它在蛋白质的催化渣滓中显示出变种，但它们仍与几个酶反应底物维持着微妙关系，并且很可能是多态基因的产物。这种变异性的生物学意义在于它也许是对结合特异性表体和提高清除免疫原效率的特化作用。无论如何，这种特化作用仍被充分的论证过。与哺乳动物中Ig变异性能结合免疫原产生更高的功效相似，这种变异性也可能产生在与鱼类有关的补体应答中。此外，与哺乳动物相比，人们已经证明在鱼类中这些C3亚型的杀菌和溶血活性要更高一些。这也证明了在鱼类中替代途径应答的优先权。

原始的获得性免疫应答：抗体

数个类群利用属于超家族免疫球蛋白(Ig)的蛋白质，但仅有5%的后生动物具备与固有免疫系统或组合免疫系统相关联的遗传结构，这些动物以具有Ig，淋巴细胞受体的参与和认可B和T细胞的克隆选择的MHC产物为特征。这种组件在脊椎动物和无颚纲类动物的缺失就暗示了在45亿年前获得性免疫的爆发，在当时的短期时间内，从它们的祖先甲胄鱼类中就涌现了大量的有颚脊椎动物。

硬骨鱼类的Ig主要局限于在一种约800kd的IgM四聚体上，并且没有Ig多样性的确切证据在鱼类中被论证过。人们早已想到，鱼类的Ig具有同位素的一种有限属性，因此导致了它们系统发育的简单性。这好像与进化发展的数据相一致，鱼类作为第一批显示抗体活性的种群，因此一类Ig的简单属性也就出现在该种群中。此后，进化导致了传代的复杂性，

从而越来越多的Ig出现在两栖动物，爬行动物和鸟类中，尤其在高等脊椎动物中，也就是在哺乳动物中出现得最多。随后我们设想的对免疫挑战的这种鱼类免疫应答主要基于固有免疫应答上。

不过在过去几年中，有关判定鱼类Ig变异性的另一种方法已经被许多研究人员所阐述。这种方法是基于只有一种基因能产生六种Ig结构亚型的事实上，因此Ig多样性是结构组织的结果而不是基因变异性的结果。这种在鱼类中的Ig四聚体结构是由四个单分子构造单位，两条重链（70kD）和两条轻链（25kD）组成。双硫键单位和非共价键组合单位可能会调整这种二级单位的组合。因此，在大马哈鱼类中，基本的共价子单位可能是一个单分子物质，但Ig四聚体的最终组合可能是四聚体的充分交联或许多单分子结构，二聚物和三聚物的组合物。这种类似的结构在蟾鱼和羊头鱼中被发现。因此相对于死板的结构组成而言，由许多非共价键关联的单分子物质构成Ig四聚体能达到远离的抗原表位却有一定的灵活性。同样的，这种灵活性会通过增加结合更多抗原表位的活跃性以及加强这种潜力来为抗体附着物服务。近期研究指出在鱼类中被观察到的许多Ig的最终形式（up to SIX）是基于一种动力学模式，在这种模式中双硫键能聚合起来，该聚合反应过程发生在细胞内并晚于分泌过程。此外，随着这项研究在高等脊椎动物中的发现，通过凝胶，沉降和ELISA等技术，鱼的抗体应答研究和其经济性已经集中于其抗体滴度上。然而，这种研究方法和这些方法中的指示剂却在其它脊椎动物健康状况的观测中起到很少的相关作用。例如，如果有一个特殊的氧化还原反应方式被要求与病原体发生反应，一个高的抗体滴度也许不是一个恰当的抗体效价指示剂，如果这种反应方式不是通过血清学可区分检测方法而来。另一方面，一种适当方式也许能产生高的抗体效价甚至这种效价出现在低的抗体滴度中。将来这种特殊的氧化还原反应方式的研究工作会帮助确定和修改在鱼类中有关抗体功能方面的最初想法。

鱼类中的细胞因子

细胞因子作为鱼类中免疫应答的调节器目前研究甚少。大量细胞因子功能活跃于硬骨鱼类中，但比起脊椎动物来，可利用的研究数据很少。在硬骨鱼和软骨鱼中主要由巨噬细胞生产的白介素1-β表现出了与不同动物种群如鸟类、两栖动物及哺乳动物中的相同特性。它是一种重要针对感染的应答反应的炎症介质，并且最近已经报道出，细胞因子会直接影响在鳟鱼中下丘脑-脑垂体-肾间体轴的功能，并刺激皮质醇分泌物。这就暗示了在复合免疫内分泌器官内，其自泌调控网络的可能性。头肾除了能影响皮质醇分泌物之外还能影响免疫功能及造血功能。

另外一种潜在的重要细胞因子，肿瘤坏死因子α（TNF-α），已经在许多种类的鱼中被无

性繁殖。此外，TNF配体蛋白质活性已经通过诱导细胞死亡，加强粒细胞移动和巨噬细胞呼吸爆发活性被显示出来。由于在哺乳动物中曾被报道过TNF-α的功能多样性，TNF-α也很可能在鱼类的神经免疫内分泌应答中成为一个核心角色。

在鱼类中其它的细胞因子和调控分子如许多白细胞介素(IL-6, IL-8, IL-10, IL-12) (Goetz FW, personal communication)，肿瘤生长因子(TGF)-β和干扰调节因子(IRF)-1都曾被报道过。明显可以看出在脊椎动物及它们大部分的分子中也有这种相关的细胞因子，并且它们在所有动物种群中显示出相似的作用。

结论：多样性

鱼类作为一个种群，它处于一种交叉角色来帮助我们去了解免疫系统的进化史。它们位于所谓宇宙大爆炸的，脊椎动物的组合免疫应答的底线。此外，一些鱼类免疫系统特性也预示了哺乳动物的复杂性。比如，鱼类的黑色素巨噬细胞中心就预示了哺乳动物中淋巴小结的功能。头肾的造血功能仍然在一些两栖动物(Protidae and apoda)中被发现，它代表了一种在脊椎动物免疫模式中的连续性。另一方面，鱼的这种特有的非特异性免疫模式描述了关于高等脊椎动物分散进化的路径，这种特性是基于一些炎症反应的重要组件的特化性和强化性。基于冷血脊椎动物的温度阀值限制了它们的免疫活性这个次要原因。低于一定温度或温度急增都会导致Ig生产和淋巴细胞反应的降低。尽管鱼类对较低的温度具有较高的耐受性，但是急剧下降的温度将会导致免疫反应抑制，甚至补体和急性期蛋白也会受到影响。如果这种变化伴随着周期性的和环境性的动物学行为（迁徙，产卵），由于皮质醇和性激素的增加将会使此种情况急剧恶化。

第三个特点是关于恒温脊椎动物和冷血脊椎动物繁殖策略上的差别。同鸟类和哺乳动物对后代的较高投入相反，鱼类对亲代抚育非常有限，这种繁殖策略存在于能生产较高的后代数量的大多数鱼类中。所以，鱼卵就是唯一的能量，防御和防护来源。从而凝集素，抗菌蛋白和Ig在鱼卵也已经被描述过，它们联同在仔稚鱼中防护微生物菌群会对潜在的病原体产生更深的影响。

一旦进化的场景被展现出来，一个关于固有免疫应答的多样性是否能弥补较弱的特异性免疫应答的问题就油然而生。似乎很明显的是不是不是所有的体细胞重组机制都能被功能多样的促炎蛋白亚型的生成所补偿。但是，这种补偿是否真的有必要呢？进化的答案会是没有必要。比如，一种拥有恢复力，长寿和多样性特征的海洋非脊椎动物种群——软体动物种群，在这个种群中它们的相关排斥反应能力却非常的弱。随后关于免疫系统进化的研究将会创造另一个潜在的观点讨论：活性基因重组的获得也许会与神经脊及其相应的组织加工相一致。

人们应该记得神经和免疫系统共享特异性识别和记忆的特性以及标的和构建积极应答。因此，在有颚脊椎动物中这些功能的获得有可能会促进在不同方向上的多样性发展，最终这两种系统的相互作用共享这些功能，如伴随一些细胞因子的发生。

有人认为，免疫系统主要的适应值不是为一个关闭系统提供的，但也有产生一种体细胞曲目受体或相关炎症细胞多样性的潜力。如果一个生物种群对环境的适应程度以及在化石记录中的各种各样的相关物种被作为一个特殊的形态和生理构造的进化质量指示，那么鱼类仍然代表着脊椎动物的最古老以及最多种群，从它们的爆发辐散在Devonic时期。它们在水生环境当中的持久性当然与它们成功的免疫系统有关。