全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011 年第 9 期
海参免疫相关基因的研究进展
王艳玲 李东 王秀利
(大连海洋大学生命科学与技术学院，大连 116023)
摘 要: 海参是我国重要的海水养殖动物，其疾病预防在养殖生产中具有重要的地位。从海参的凝集素基因、溶菌酶
基因和铁蛋白基因等免疫相关基因方面进行概述。
关键词: 海参 免疫 凝集素基因 溶菌酶基因 铁蛋白基因
Advance of Immune-related Genes in Sea Cucumber
Wang Yanling Li Dong Wang Xiuli
(College of Life Sciences and Biotechnology，Dalian Fisheries University，Dalian 116023)
Abstract: Sea cucumber is an important mariculture animal in China． The disease prevention has an important position in cul-
ture production in sea cucumber． We reviewed immune-related genes，including lectin gene，lysozyme gene，ferritin gene in this arti-
cle．
Key words: Sea cucumber Immune Lectin gene Lysozyme gene Ferritin gene
收稿日期:2011-04-20
基金项目:辽宁省教育厅重点实验室项目(2009S024)
作者简介:王艳玲，女，硕士研究生，研究方向:水产养殖动物基因工程;E-mail:wangyanling1228@ 163． com
海参(sea cucumber)属棘皮动物门、海参纲。
我国有海参约 140 多种，可供食用的有 20 多种，常
见的食用海参有刺参、花刺参、梅花参、绿刺参及玉
足海参(H． leucospilota)等［1］。海参具有高蛋白、低
脂肪和氨基酸含量高等优点，特别是富含人体所必
须的钙、镁、铁和锰等多种微量元素，又含有多种酸
性黏多糖、海参素皂角苷等特殊成分。海参不仅对
人体具有营养、滋补的作用，而且还具有特殊的保健
与药用的功能，所以它已经成为我国重要的海水养
殖对象。近年来，海参养殖业发展很快，养殖面积迅
速扩大，但海参的病虫害越来越严重，使养殖户受到
很大的经济损失。为了更好地提高海参养殖业的经
济效益和社会效益，研究海参免疫基因尤为重要。
1 海参的免疫机制
1． 1 体壁防御
海参的体壁组织是抵御外来病原体的第一道防
线，防御作用与含有的海参皂苷等抗菌活性物质以
及体壁中分布的免疫相关酶［2，3］都有很大的联系。
目前已经有报道证实多种海参的体壁组织都有抗菌
活性，Haug等［4］在叶瓜参体壁组织中检测到很强的
抗菌活性物质，该物质对蛋白酶 K 和热处理不敏
感，具有高度的溶血活性，从而起到抗菌作用。另
外，还有学者在海参(Psolus patagonicus)体壁中发
现了一种新型的抗真菌活性物质，如今已经证实海
参体壁组织中存在的这些活性物质统称为海参皂
甙，它们能与生物膜上甾醇分子结合形成复合物，在
膜上形成单一离子通道和大的水孔，最终导致生物
膜溶解。
1． 2 体内免疫
海参的体内免疫分为细胞免疫和体液免疫，由
于海参缺少特异性免疫组织和器官，所以体腔液中
的体腔细胞担负着细胞免疫和体液免疫作用。对于
缺乏特异性免疫系统的海参来说，细胞的吞噬作用
是它抵抗异物入侵的最基本的细胞防御机制，是反
映机体免疫状况的重要指标之一。Jans 等［5］对海
参的研究表明，阿米巴吞噬细胞是唯一具有吞噬功
能的体腔细胞，而且大部分免疫反应都是由阿米巴
吞噬细胞介导的。对于海参的免疫调节，超氧化物
2011 年第 9 期 王艳玲等:海参免疫相关基因的研究进展
歧化酶和过氧化氢酶的酶活力也很重要。Yang
等［6］研究了成体刺参在不同温度下的氧消耗率，结
果发现在 20℃时氧消耗率达到最高，随着温度的升
高，氧消耗率逐渐下降。温度升高后，超氧化物歧化
酶和过氧化氢酶等抗氧化酶活性降低，机体的免疫
性也随之下降。体液免疫反应也是抵抗微生物入侵
的重要防御体系，棘皮动物体腔液中存在多种体液
免疫因子，包括不同类型的凝集素、溶血素、选择素、
抗微生物因子和应急蛋白［7，8］。另外，据报道补体
系统是动物体内免疫防御反应的重要组分，在免疫
防御、免疫调控以及免疫病理中发挥着重要作用。
张峰等［9］应用化学发光免疫检测技术首次证实了
仿刺参体内有脊椎动物补体类似物 Ajc3 和 Ajc4，经
过进一步研究发现仿刺参中确实有编码 C3 补体的
基因(GI:307950522)存在，C3 补体基因的 mRNA
全长 6 281 bp，其中编码区有 5 217 个核苷酸，编码
1 738 个氨基酸。
2 与免疫基因相关的表达序列标签
表达序列标签(ESTs)是从互补 DNA(cDNA)分
子所测得部分序列的短段 DNA(通常 300 － 500
bp)。从 cDNA文库所得到的许多表达序列标签集
合组成表达序列标签数据库，代表在一定的发育时
期或特定的环境条件下，特定的组织细胞基因表达
的序列。可用于验证基因在特定组织中的表达、推
导全长 cDNA序列或作为标签标志基因组中的特殊
位点，以确定基因的位置等。目前 Ramírez-Gómez
等［10］运用海参 Holothuria glaberrima［11］进行研究，他
们用 LPS对海参进行诱导，然后建立了 3 个 cDNA
文库，在 cDNA文库中发现了许多与海参免疫相关
的 ESTs。例如，C-型凝集素、铁蛋白和溶菌酶等，为
其免疫相关基因的研究提供了基础依据。
3 海参的免疫相关基因
对于棘皮动物的免疫性研究，从海星免疫性的
发现到海胆(Strongylocentrotus purpuratus)［12 － 14］基
因组序列的突破性研究已经有很长的历史。棘皮动
物的免疫系统也渐渐地成熟。当海参处在不利的环
境下，它们会吐出体内的大量器官，然后胃肠道会第
一个再生。再生期间，所有的肠组织都被替换，包括
腔上皮细胞、内脏的肌肉和肠的神经系统。在这个
阶段，机体的免疫系统可能激发了伤口愈合的防御
有机体来对抗微生物的入侵，然后长成一个原基样
结构，所以海参的肠再生与其免疫系统有着紧密的
联系。近年来国外已经用海参(Holothuria glaberri-
ma)作为模式生物来探索海参的特殊再生过程［15］，
在研究再生机制的同时，也发现了海参的一些免疫
相关基因。
3． 1 C-型凝集素
C-型凝集素(C-type lectin，CTL)属于最早发现
的一批动物凝集素，其中牛凝集素元在 1906 年已被
发现，而更早的蛇毒凝集素的凝集活性在 1860 年被
发现。凝集素是识别碳水化合物的特殊部分，它们
通过识别与病原体相关的碳水化合物结构来参与防
御作用。动物的凝集素分子按照糖识别域肽链序列
分有 3 类:C-型凝集素、S-型凝集素和 P-型凝集素。
C-型凝集素不仅出现在许多脊椎动物体液中，在很
多无脊椎动物如海胆、海参、被膜动物和昆虫中也有
报道。现已有报道，仿刺参的 C-型凝集素(GI:
48375115)基因的 mRNA 全长 714 bp，其中编码区
由 537 个核苷酸组成，编码 178 个氨基酸序列。
Jans等［16］在海参(Holothuria tubulosa)体腔液中分
离出 1 种由体腔细胞释放的分子量为 220 kD 的凝
集素，这种凝集素能提高体腔细胞黏附性并促进体
腔细胞向外来物质聚集。李丹彤等［17］从刺参
(Stichopus japonicus)中分离纯化得到凝集素，并对
它的性质进行研究，试验结果表明凝集素可有效去
除外来异物。另外，有学者已经发现编码与 CTL 蛋
白相似的 3非编码区(UTR)和最后的 115 个氨基酸
的 ESTs，他们用 BLAST比对，相似性最高的是海星
(Asterina pectinifera)的半乳糖胺特异性的凝集素，
有 37%的氨基酸相同，他们又对海参的 CTLmRNA
进行表达分析表明，在体腔细胞中对照组和经 LPS
刺激后的凝集素的表达量没有显著的不同。Gowda
等［18］研究一种糙海参(Holothuria scabra) ，他们从这
种海参中分离得到一种外源凝集素(HSL) ，已鉴定
它在鉴别某些致病菌中发挥着重要的作用。
3． 2 铁蛋白
铁蛋白(ferritin)是广泛存在于动物、植物和微
生物体内的一种铁储存和生物矿化蛋白，它的表达
调控在维持机体铁平衡中发挥着重要作用。铁蛋白
于 1937 年由 Laufberge 从脊椎动物马的脾脏中纯化
32
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 9 期
分离出来，具有耐稀酸 pH2. 1、耐稀碱 pH12. 1 和耐
较高温度 70 － 75℃不变性等特性。2004 年，美国哈
佛大学公布了一个有关体内铁含量与Ⅱ型糖尿病发
病关系的前瞻性研究，其中铁蛋白就可能作为一个
潜在的候选诊断指标［19］。铁蛋白已经在无脊椎动
物中被广泛的研究。杨爱馥等［20］通过构建仿刺参
的 cDNA文库，对仿刺参铁蛋白进行了基因克隆，获
得铁蛋白基因全长 cDNA 序列。该基因序列全长
792 bp，5非编码区长 133 bp，开放阅读框长 522
bp，3非编码区长 137 bp，预测蛋白分子量为 20
kD。她又运用半定量 RT-PCR技术对铁蛋白基因进
行表达分析，结果表明，铁蛋白 mRNA 在仿刺参的
胚胎发生和个体发育的各个阶段及幼体不同组织中
均有表达。Ramírez-Gómez 等［10］用 57 个 ESTs 拼接
得到 1. 7 kb 重叠序列，用 BLAST进行比对，结果表
明相似性最高的是刺参的铁蛋白，有 84%的氨基酸
相一致。用 LPS 刺激海参(Holothuria glaberrima) ，
他们发现铁蛋白表达量没有显著提高。现在已经有
报道海参(Holothuria glaberrima)的铁蛋白(GI:
152143914)基因 mRNA 全长 1 691 bp，由 525 个核
苷酸组成，编码 174 个氨基酸。随着分子生物学、医
学、蛋白质组学、现代分析技术的发展以及对铁蛋白
的进一步研究，铁蛋白将在许多行业以及人们的日
常生活中发挥越来越重要的作用。
3． 3 组织蛋白酶
组织蛋白酶(cathepsin)都是由体内先合成的无
活性的前体酶原(preprocathepsin)水解而成，前体酶
原由信号肽(signal-peptide)、前体肽(propeptide)和
含有催化活性中心的成熟肽(mature-peptide)构成。
鄢荣歆等［21］运用 RT-PCR和 RACE-PCR技术，从海
参(Stichopusjaponicus)肠中克隆得到编码组织蛋白
酶 L基因，其中全长 cDNA 1 287 bp，5非编码区 202
bp，3非编码区 87 bp，开放阅读框 999 bp，编码 332
个氨基酸，包括组织蛋白酶 L 成熟肽 316 个氨基酸
和信号肽 16 个氨基酸，分子质量预测为 35. 3 kD。
现已有报道组织蛋白酶 C 在哺乳动物免疫系统中
发挥重要的作用，它们在 C-型凝集素(CTL)细胞、
嗜中性粒细胞和杆细胞中是丝氨酸蛋白酶的激活
剂。在海胆(S． purpuratus)中，组织蛋白酶 C 也被发
现是在基因组中编码免疫基因的一部分［22］。另外，
朱蓓薇等提取并研究了刺参体壁组织蛋白酶 B 的
酶学性质，结果表明，该酶最适反应 pH值为 5. 5，最
适反应温度为 40℃，在 20 － 30℃酶活稳定，金属离
子 Ca2 +、Mg2 +、K +、Mn2 +、Fe2 +、Cu2 +和 Zn2 +均能抑
制酶活性。近年来，有关组织蛋白酶的研究进展很
快，它与多种重要疾病密切相关，是备受关注的一类
靶标蛋白酶。
3． 4 铁传递蛋白超家族成员
铁传递蛋白是一种超家族蛋白，其中包括铁的
含量，在大多数情况下，生物学的流动性方面能帮助
维持铁的水平［23］。脊椎动物和无脊椎动物的铁传
递蛋白超家族都起防御的作用。卵黄蛋白(MYPs)
仅仅是棘皮动物的铁传递蛋白，现已被广泛研
究［24］。黑素转铁蛋白(MTf)又叫 p97，它是转铁蛋
白家族中的一员。由王秀利教授领导的科研小组以
仿刺参(Apostichoupus japonicus)作为试验材料，在这
个研究中，他们得到了全长的铁传递蛋白基因
(mTf) (HQ260578) ，它是由 2 840 个核苷酸所组成，
编码 727 个氨基酸，它在许多的细胞活动中起分子
伴侣的作用，例如膜融合、细胞周期调控、应激反应、
程序性细胞死亡、转录调控、蛋白质降解、激化 B 细
胞和 T 细胞等作用。据报道，通过有些学者建立
cDNA文库，研究发现有 18 个 ESTs 至少在一个铁
传递蛋白区域，其中的两个编码产物的 ESTs与黑素
转铁蛋白(Mtf /p97)相似。
3． 5 溶菌酶
溶菌酶(lysozyme)又称胞壁质酶，是一种碱性
球蛋白，由 Fleming 于 1922 年首次发现。1975 年，
Jolles 等在海洋无脊椎动物中发现一种新型溶菌酶，
即 i 型溶菌酶。已知的溶菌酶可分为 6 类:c 型溶菌
酶、g 型溶菌酶、i 型溶菌酶、植物溶菌酶、细菌溶菌
酶和噬菌体溶菌酶。溶菌酶的主要作用是切断细菌
细胞壁肽聚糖中 N-乙酰葡萄糖胺和 N-乙酰胞壁酸
之间的 β-1，4 糖苷键，从而破坏细胞壁，引起细胞裂
解。溶菌酶是一个具有先天免疫性的防御蛋白，尤
其是在水生生物抵御细菌病原体方面起了很大的
作用。
海参属于棘皮动物门，以海底的浮游生物、各种
微生物和有机碎屑为食，但其消化系统简单，因此溶
菌酶在其免疫和消化系统中发挥重要的作用。溶菌
42
2011 年第 9 期 王艳玲等:海参免疫相关基因的研究进展
酶存在于海参的各个组织，甚至在海参的体腔液中
也发现了溶菌酶。李英辉等［25］提取了海参消化道
中的溶菌酶，并对提取条件和酶学性质进行了深入
的探讨。另外，杨西建等［26］通过 RT-PCR 和 RACE-
PCR 技术，从海参(Stichopus japonicus)体壁中克隆
得到一种溶菌酶基因，其中全长 cDNA 为 713 bp，5
非编码区 246 bp，3 非编码区 29 bp，开放阅读框
438 bp，编码 145 个氨基酸，包括溶菌酶成熟肽 124
个氨基酸和信号肽 21 个氨基酸，他们把这种溶菌酶
与多种无脊椎动物的 c 、g 和 i 型溶菌酶进行分析比
较，发现它与 i 型溶菌酶有较高的同源性，推断克隆
的海参溶菌酶为 i 型。
3． 6 丝氨酸蛋白酶抑制剂
丝氨酸蛋白酶抑制剂(serine proteinase inhibi-
tors，SPIs)存在于很多种类的多细胞有机体中，在
各种各样的生物过程中起调节蛋白酶的作用。丝氨
酸蛋白酶抑制剂作为主要的蛋白酶抑制剂之一，可
以调控生物体内的多种生理反应，可以与蛋白酶的
活性部位结合，也可以抑制酶的催化作用或阻止酶
原转化为有活性的酶［27］。SPIs在防御中起作用，通
过抵抗病菌或寄生虫来保护宿主。
Ramírez-Gómez 等［10］研究表明，在他们建立的
海参(Holothuria glaberrima)cDNA文库中，其中有两
个不同的 ESTs存在于 kazal-类型蛋白酶抑制区域。
这两个序列与克氏鳌虾的 SPI(gi33590491)有很大
的相似性，一个 ESTs 编码 C-末端的 198 个氨基酸
片段，带有两个 kazal-类型区域;另一个 ESTs 编码
C-末端的 128 个氨基酸，带有一个 kazal-类型区域。
3． 7 其他免疫相关基因
血清淀粉样蛋白 A(serum amyloid A，SAA)在
很早以前就在脊椎动物中被发现，最初是在哺乳动
物中，包括人类、老鼠、仓鼠、兔子、狗、牛和马等动
物，它们还在非哺乳动物中被发现，例如北京鸭和鲑
鱼类。它是一种功能多样性蛋白，不仅在脂质代谢
中，炎症反应中发挥重要的作用，而且可能具有免疫
相关的功能。SAA 在人类的疾病诊断上起到相当
大的作用，但在海参体内研究很少。现已有报道仿
刺参 SAA(GI:184202038)基因的 mRNA 全长 934
bp，其中编码区是由 366 个核苷酸组成，编码 121 个
氨基酸。据报道经过 LPS 刺激后，海参的 SAAmR-
NA有所增加，所以 SAA 在海参的免疫方面很可能
发挥了一定的作用。另外，Yang 等［28］研究表明热
休克蛋白(Hsp)的一些家族成员，例如 Hsp60、
Hsp70、Hsp90 和 Hsp96 都与海参的天生免疫系统
有关。
4 展望
海参具有非特异性的免疫系统，当海参需要启
动防御机制时，体腔细胞中的体液免疫和细胞免疫
就会起作用。最初，相关领域的学者是在细胞水平
上研究海参的免疫系统，但是随着科学技术的提高，
学者们已经开始从分子水平上对海参的免疫系统进
行研究。虽然对海参的免疫研究取得了一些进展，
但与海胆等其他棘皮动物的免疫研究相比，还有相
当大的差距。为此，今后应该更广泛的开展免疫相
关基因的研究，进一步了解基因的组成、结构和功能
之间的关系，从而了解海参免疫反应的分子机制。
在研究海参的免疫相关基因时，应该主要研究海参
的功能基因，尤其是与海参病害有直接联系的免疫
相关基因，从而抵制疾病，也为培育出优良的海参品
种奠定良好的理论基础。
参 考 文 献
［1］姜健，杨宝灵，邰阳．海参资源及其生物活性物质的研究．生物技
术通讯，2004，15(5) :537-538．
［2］聂竹兰，李霞，辛涛．仿刺参体壁的组织学和组织化学．大连水产
学院学报，2007，22(3) :184-187．
［3］李继业．养殖刺参免疫学特征与病害研究［D］． 青岛:中国海洋
大学，2007．
［4］ Haug T． Antibacterial activity in Strongylocentrotus droebachiensis
(Echinoidea) ，Cucumaria frondosa(Holothuroidea) ，and Asterias
rubens(Asteroidea)． J Invertebr Pathol，2002，81(2) :94-102．
［5］Jans D，Dubois P，Jangoux M． Defensive mechanisms of holothuroids
(Echinoder＇mata) :Formation，role and fate of intracoelomie brown
bodies in the sea cucumber(Holothuria tubulosa)． J Cell Tissue
Res，1996，283:99-106．
［6］Yang HS，Zhou Y，Zhang T，et al． Metabolic characteristics of sea
cucumber Apostichopus japonicus (Selenka)during aestivation． Jour-
nal of Experimental Marine Biology and Ecology，2006，330:
505-510．
［7］张峰．棘皮动物体内防御机制的研究进展． 大连水产学学报，
2005，20(4) :340-344．
［8］ Kudriavtsev IV，Polevshchikov AV． Comparative immunological a-
nalysis of echinoderm cellular and humoral defense factors． Zh Ob-
52
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 9 期
shch Biol，2004，65(3) :218-231．
［9］张峰，王海峰，官晶，等．仿刺参体腔液补体类似物化学发光免疫
检测．核农学报，2007，21(4) :413-416．
［10］Ramírez-Gómez F，Ortíz-Pineda PA，Rojas-Cartagena C，et al． Im-
mune-related genes associated with intestinal tissue in the sea cu-
cumber(Holothuria glaberrima)． Immunogenetics，2008，60(1) :
57-71．
［11］García-Arrarás JE，Greenberg MJ． Visceral regeneration in holothu-
rians． Microsc Res Tech，2001，55:438-451．
［12］Sodergren E，Weinstock GM，Davidson EH，et al． The genome of
the sea urchin Strongylocentrotus purpuratus． Science，2006，314:
941-952．
［13］Rast JP，Smith LC，Loza-Coll M，et al． Genomic insights into the
immune system of the sea urchin． Science，2006，314:952-956．
［14］Hibino T，Loza-Coll M，Messier C，et al． The immune gene reper-
toire encoded in the purple sea urchin genome． Dev Biol，2006，
300:349-365．
［15］ Rojas-Cartagena C，Ortiz-Pineda P，Ramirez-Gomez F，et al． Dis-
tinct profiles of expressed sequence tags during intestinal regenera-
tion in the sea cucumber(Holothuria glaberrima)． Physiol Genom-
ics，2007，31(2) :203-215．
［16］ Jans D，Dubois P，Jangoux M． Defensive mechanisms of holothu-
roids(Echinodermata) :Formation role and fate of intracoelomic
brown bodies in the cucumber(Holothuria tubulosa)． J Cell Tissue
Res，1996，283:99-106．
［17］李丹彤，宋亮，钟莉，等．刺参凝集素的分离纯化及其性质．水产
学报，2005，29(5) :654-658．
［18］Gowda NM，Goswami U，Khan MI． T-antigen binding lectin with
antibacterial activity from marine invertebrate，sea cucumber(Ho-
lothuria scabra) :possible involvement in differential recognition of
bacteria． Invertebr Pathol，2008，99(2) :141-145．
［19］刘志梅，林东源，李剑军，等．铁蛋白与Ⅱ型糖尿病．内科，2008，
3(3) :442-444．
［20］杨爱馥，周遵春，孙大鹏，等．仿刺参铁蛋白 ferritin 基因的序列
分析及表达．水产学报，2010，6(34) :710-717．
［21］鄢荣歆，徐赛涛，丛丽娜，等．海刺参组织蛋白酶 L基因的克隆、
重组表达及活性鉴定． 大连工业大学学报，2009，28(6) :
391-396．
［22］Hibino T，Loza-Coll M，Messier C，et al． The immune gene reper-
toire encoded in the purple sea urchin genome． Dev Biol，2006，
300(1) :349-365．
［23］Lambert LA，Perri H，Halbrooks PJ，et al． Evolution of the trans-
ferrin family:conservation of residues associated with iron and anion
binding． Comp Biochem Physiol B Biochem Mol Biol，2005，142
(2) :129-141．
［24］Brooks JM，Wessel GM． The major yolk protein in sea urchins is a
transferrin-like，iron binding protein． Dev Biol，2002，245:1-12．
［25］李英辉，丛丽娜，朱蓓薇．海参肠中溶菌酶的分离纯化及其酶学
性质．大连工业大学学报，2008，27(3) :193-196．
［26］杨西建，丛丽娜，路美玲，等．海参 i 型溶菌酶基因及其编码产
物的结构特点． 中国生物化学与分子生物学报，2007，23(7) :
542-547．
［27］赵飞，王转花．丝氨酸蛋白酶抑制剂的结构特点及作用机制．山
西大学学报，2008，31(S1) :166-170．
［28］Yang AF，Zhou ZC，Dong Y，et a1． Expression of immune-related
genes in embryos and larvae of sea cucumber(Apostichopus japoni-
cus)． Fish ＆ Shellfish Immunology，2010，29(5) :839-845．
(责任编辑 狄艳红)
62