重组IL-21通过增强肠道屏障和抑制炎症反应，缓解草鱼的细菌性肠炎

重组草鱼IL-21蛋白通过增强肠道屏障功能、抑制炎症反应和提升抗菌能力有效缓解 Aeromonas hydrophila 引发的肠道炎，为水产养殖提供了新型治疗候选。

　　

袁高亮|林欣|秦丽英|徐璞|冯德祥|张彦伟

新乡农林大学渔业学院，中国新乡464000

摘要

白细胞介素-21（IL-21）是一种多效性细胞因子，可调节免疫反应，但其在鱼类肠道免疫中的作用仍不甚清楚。在本研究中，我们制备了重组草鱼IL-21（rCiIL-21），并研究了其对由Aeromonas hydrophila引起的肠炎的保护作用。rCiIL-21的施用显著降低了肠道细菌负荷，并减轻了A. hydrophila感染引起的组织病理损伤。此外，rCiIL-21通过增加黏液层厚度、促进杯状细胞增殖以及上调黏蛋白相关基因（agr2、muc2和klf4）和紧密连接蛋白（zo-1、claudin-3和occludin）的表达，增强了肠道屏障的完整性。同时，rCiIL-21还抑制了细胞凋亡和氧化应激，促进了抗菌因子（c-lysozyme、β-defensin 1和β-defensin 2）和抗炎因子（il-10）的表达，从而降低了细菌负荷并提高了存活率。综上所述，这些结果表明rCiIL-21通过增强肠道屏障完整性、调节炎症反应和提升先天抗菌防御能力，在缓解细菌性肠炎方面发挥了多重作用，显示出其作为水产养殖中治疗细菌性肠炎药物的潜力。

引言

草鱼（Ctenopharyngodon idella）是中国产量最高的淡水鱼类，因其生长速度快、饲料转化率高和肉质优良而备受重视[1]。作为一种典型的草食性鱼类，其完整的肠道屏障是维持其健康的主要保障[2]。肠道黏膜屏障是一个复杂的防御系统，主要由四个部分组成：化学屏障、物理屏障、免疫屏障和微生物屏障。化学屏障由杯状细胞分泌的黏蛋白（MUC2）和上皮细胞分泌的抗菌肽构成。免疫屏障由黏膜免疫细胞和调节性细胞因子组成。物理屏障则由通过紧密连接蛋白（如ZO-1、Claudins和Occludin）相互连接的肠道上皮细胞构成[3]。这些成分协同作用，对防止病原体入侵和维持鱼类肠道稳态至关重要[4]。

然而，草鱼的肠道屏障对Aeromonas hydrophila等病原体特别脆弱，这些病原体会导致严重的肠炎并造成巨大的经济损失[2]。A. hydrophila可以破坏草鱼的肠道紧密连接，并引发一系列免疫反应[5]。例如，A. hydrophila感染可诱导活性氧（ROS）的过量产生，攻击抗氧化系统并导致氧化损伤[6]。同时，过量的ROS和病原体入侵可能引发细胞凋亡，导致细胞功能受损或死亡。这些过程会进一步破坏紧密连接，增加肠道通透性并引发肠道炎症[7]。因此，增强黏膜屏障的功能可能是降低细菌感染死亡率的有效方法。然而，草鱼肠道屏障完整性的分子调控机制仍不甚清楚。

肠道稳态是维持鱼类健康的重要机制。鱼类体内的复杂细胞因子网络在肠道免疫防御中起着关键作用[8]。肠道细胞分泌的细胞因子可激活黏膜免疫，抵抗病原体入侵并保护肠道屏障[9]。白细胞介素（ILs）作为主要的细胞因子类别，是宿主免疫防御系统的重要组成部分。大量研究表明，哺乳动物的IL-21是一种多效性细胞因子，参与调节先天性和适应性免疫反应。它不仅在抗肿瘤和抗病毒反应中起关键作用，还在肠道炎症和抵御细菌感染中发挥重要作用[10]、[11]、[12]。IL-21基因已在多种鱼类中被发现，包括虹鳟鱼（Oncorhynchus mykiss）[13]、北方蛇头鱼（Channa argus）[14]和草鱼[15]、[16]。在鱼类中，IL-21在肠道和鳃等黏膜组织中的表达水平最高，其表达模式会受到病原体感染的影响[13]、[15]、[16]、[17]。与哺乳动物IL-21的功能类似，重组草鱼IL-21蛋白可通过促进B细胞增殖和IgM分泌发挥免疫调节作用[15]。同样，重组北方蛇头鱼IL-21蛋白也能刺激免疫细胞增殖并激活JAK1/3-STAT1/3信号通路[14]。其他研究表明，硬骨鱼类的IL-21具有抗炎功能。例如，重组虹鳟鱼IL-21蛋白可在体内和体外通过诱导IL-10表达发挥抗炎作用[13]。在我们之前的研究中，发现A. hydrophila感染期间，草鱼肠道黏膜固有层中的IL-21在转录和蛋白质水平上均显著增加。体外实验还表明其具有抗炎和抗菌活性[18]。然而，鱼类IL-21的免疫学作用，尤其是其对肠道屏障功能的调控作用，仍大部分未知。

草鱼是一种具有经济价值的草食性淡水鱼类。然而，由A. hydrophila引起的细菌性肠炎给草鱼产业带来了巨大的经济损失[19]。在本研究中，我们考察了rCiIL-21对A. hydrophila感染期间肠道损伤、肠道黏膜屏障、氧化应激、细胞凋亡、细胞增殖和抗菌免疫反应的保护作用。总体而言，我们的发现表明rCiIL-21能有效缓解A. hydrophila引起的肠道病理变化并提高宿主存活率，为鱼类IL-21的免疫调节功能提供了新的见解，并强调了其作为水产养殖中治疗细菌性肠炎药物的潜力。

实验鱼类和细菌

健康的草鱼（15 ± 2克）从中国河南省南阳市的鱼市场获取，并在28 ± 1°C的淡水水族箱中适应至少两周后进行实验。所有实验均按照中国关于实验动物的国家规定进行，并获得了新乡农林大学实验室动物福利和伦理审查委员会的批准（编号2024-AF-XYAFU-001）。A. hydrophila是从自然环境中分离得到的

体内检测rCiIL-21蛋白的生物活性

为了探索IL-21在草鱼体内的生物学功能，我们使用原核表达系统制备了重组白细胞介素-21（rCiIL-21）蛋白。该蛋白的分子量约为15 kDa（图1A）。如图1B所示，rCiIL-21在体内表现出抗菌活性。随后将不同浓度的rCiIL-21蛋白注射到草鱼体内，以确定治疗细菌性肠炎的最佳浓度。

讨论

白细胞介素-21（IL-21）是一种I型细胞因子，属于IL-2家族[10]。在哺乳动物中，IL-21在自身免疫疾病和肠道免疫调节中起着关键作用。类似的研究在黄鲶鱼[22]、日本比目鱼[23]和草鱼[16]、[18]中也表明，肠道IL-21在受到免疫刺激剂和病原菌刺激后表达增加，这表明鱼类IL-21在免疫调节中起着重要作用

CRediT作者贡献声明

袁高亮：撰写原始草案、进行研究、设计方法、数据整理和获取资金。林欣：进行研究、验证方法。秦丽英：进行研究、设计方法。徐璞：进行研究、设计方法。冯德祥：进行研究、设计方法和获取资金。张彦伟：撰写、审稿和编辑、构思。

数据可用性

数据可应要求提供。

致谢

本研究得到了中国博士后科学基金会（2025M773135）、河南省科技研究重点项目（编号252102111029）以及河南省农业研究系统专项基金（HARS-22-16-G3）的支持。