文昌鱼凝集素基因家族和其他补体相关的模式识别分子的克隆表达、进化分析和功能研究

摘要

文昌鱼属于脊索动物门头索动物亚门，代表着由无脊椎动物进化到脊椎动物的过渡类型。其形体结构、发育模式和基因组都代表了脊椎动物最简单的模式，为研究脊椎动物免疫的起源和免疫基因的进化提供了一个最理想的实验动物模型。即使缺乏类似脊椎动物的适应性免疫系统，文昌鱼仍然能够在多种生存环境下健康生长，繁殖后代，它们的成功很大的程度上依赖于其有效的特异的免疫系统。免疫系统的诱导性防御机制是由一系列的模式识别分子对病原体的识别所启动的。这类分子能够识别病原体所共有的分子模式如细胞壁多糖组分，并通过一系列的信号途径控制各种免疫反应基因的表达而清除病原体。凝集素通过对病原微生物细胞表面的糖分子所识别，可以区别“非己”物质，在生物的免疫应答中起重要的作用。补体系统是免疫系统中的一个复杂的限制性蛋白水解系统，可以通过C1q，凝集素以及C3识别外来入侵的微生物启动并导致一系列的补体分子的活化，从而促进吞噬细胞的吞噬功能和溶解靶细胞。 本论文的研究主要利用一系列的生物化学和分子生物学方法，研究文昌鱼凝集素家族如半乳糖凝集素、C型凝集素和其他与补体相关的模式识别分子如C1q，整合素在文昌鱼先天免疫防御中的作用，同时结合进化分析探讨文昌鱼凝集素家族和补体系统在免疫系统进化中的特殊地位。 本论文的研究结果主要包括以下几个方面： 1)本研究在文昌鱼中克隆出一个半乳糖凝集素家族成员BbtGal，发现其具有两种不同的剪接方式，通过基因扩增分析其具有脊椎动物半乳糖凝集素的基因组结构(F4-CRD-linker-F3-CRD)，同时结合序列和剪接方式的分析发现BbtGal是脊索动物半乳糖凝集素家族的始祖分子。定量PCR和原位杂交分析表明长的剪接体BbtGal-L主要表达在肝盲囊、消化道和咽鳃裂等免疫相关的组织器官，短的剪切体BbtGal-S则具有遍在化的表达和分布。创伤弧菌，副溶血弧菌和金黄色葡萄球菌感染能够刺激BbtGal-L的高表达。BbtGals的重组蛋白都具有β-半乳糖苷特异识别结合的能力，BbtGal-L还能够特异的结合创伤弧菌。通过激光共聚焦分析发现两个剪接体在胞质中分布，但是都可以通过非经典分泌途径分泌到细胞基质中。结合免疫刺激，重组蛋白的功能验证及细胞定位和分泌表达方式的分析我们发现脊索动物半乳糖凝集素家族的始祖分子BbtGal既可以作为从胞质中分泌出来作为一个模式识别分子识别特异的微生物，同时也可以作为一个胞内的信号级联分子调控微生物入侵引起的炎症反应。半乳糖凝集素参与微生物入侵引起的炎症反应的方式是多样的，而且在脊索动物的进化过程中是比较保守的。 2)在文昌鱼中超过1，000个C型凝集素基因模块在基因组中发现，远远大于其他物种中C型凝集素的数目，并且文昌鱼的C型凝集素大部分都独立成簇于脊椎动物之外。基于基因组序列并结合cDNA序列对文昌鱼C型凝集素家族进行了系统的分析，提出文昌鱼C型凝集素家族可能是无脊椎动物向脊椎动物C型凝集素家族进化的衔接点。基于胶原凝集素和NK细胞受体也在文昌鱼基因组中发现，提出脊椎动物的MBL介导的补体激活途径和NK细胞介导的非己识别体系在文昌鱼中同样存在。 3)对部分文昌鱼C型凝集素分子进行了基因克隆及表达谱分析，发现大部分文昌鱼C型凝集素分子都可以作为一种急性免疫反应蛋白参与对机体的防御，且不同的C型凝集素具有特异的组织分布。对其中的一个只有四个半胱氨酸残基的分泌型的文昌鱼C型凝集素AmphiCTL1进行了蛋白表达和功能验证，发现AmphiCTL1主要在肝盲囊中高表达，能够与钙离子依赖的方式凝集素红细胞。具有结合，凝集和杀伤革兰氏阳性菌和酵母的能力，但对革兰氏阴性菌无影响。通过ELISA和Pull-down实验分析发现能够结合肽聚糖和葡聚糖，而对其他的病原相关的分子模式如脂多糖，脂磷酸壁，甘露聚糖却不能够识别。结合微生物及其细胞壁的多糖组分和杀伤这些微生物是钙离子非依赖性的，而凝集作用是需要钙离子的参与的。该部分的研究表明文昌鱼的C型凝集素分子AmphiCTL1的确能够作为一个模式识别分子参与文昌鱼先天免疫，而且与其他的C型凝集素不同的是，还具有对特异的微生物生长的抑制活性，抑菌活性的发挥是通过与微生物细胞壁上的肽聚糖和葡聚糖完成的。同时基于C型凝集素对微生物的防御作用我们也对文昌鱼的共生系统与C型凝集素之间的互作进行了初步的研究，表明文昌鱼的C型凝集素可能形成一个巨大的交互作用的网络来协调抵御体液、消化道以及体表环境的入侵菌和共生菌对宿主的伤害。 4)对Intelectin和补体相关的C1q以及整合素基因家族的部分成员进行克隆表达和表达谱分析，对这些基因家族的进化特点进行了初步的探讨。结合以上的实验数据和对文昌鱼的基因组序列的分析，首次对文昌鱼的补体系统进行了系统的阐述，填补了文昌鱼补体系统研究的空白。

目录

文摘

英文文摘

第1章前言

1.1文昌鱼概况

1.2免疫识别机制

1.3凝集素简介

1.4补体系统

1.5本论文研究的目的和意义

1.6本论文的创新点

1.7技术路线

第2章文昌鱼半乳糖凝集素基因功能研究

2.1前言综述

2.2材料与方法

2.3结果及分析

2.4讨论

2.5小结

第3章文昌鱼C型凝集素基因研究

3.1前言综述

3.2材料与方法

3.3结果与分析

3.4讨论

3.5小结

第4章文昌鱼中其它凝集素分子初步分析

4.1前言

4.2材料与方法

4.3结果与讨论

4.4小结

第5章文昌鱼补体系统相关基因的克隆，表达和基因组分析

5.1前言综述

5.2材料与方法

5.3结果与讨论

5.4小结

总结和展望

参考文献

附录(一)xm1518的因序列

附录(二)博士期间在读发表的或者投稿的论文

附录(三)缩略词

致谢

原创性声明