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红鳍东方鲀特异性免疫相关基因的研究进展



全 文 :·综述与专论· 2012年第9期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
收稿日期 : 2012-05-07
基金项目 : 辽宁省高等学校优秀人才支持计划项目(LR201010)
作者简介 : 崔军 , 男 , 硕士研究生 , 研究方向 : 水产动物基因工程 ; E-mail: cjhaoren@yahoo.com.cn
通讯作者 : 仇雪梅 , 女 , 博士 , 教授 , 研究方向 : 水产动物基因工程 ; E-mail: xmqiu@dlou.edu.cn
红鳍东方鲀(Takifugu rubripes)隶属于鲀科
(Tetraodontidae),东方鲀属(Takifugu)。2002 年人
类首次完成了红鳍东方鲀基因组的测序工作,其基
因组总数约为 3 万个 [1]。红鳍东方鲀的基因组紧凑,
大小仅 400 Mb,每 6-8 kb 一个基因,与人类相比少
了许多非必需序列,而且其基因的编码区,一些重
要的调控区,内含子 / 外显子结构是高度保守的 [2]。
红鳍东方鲀不仅作为模式生物被广泛的研究,
而且也是我国重要的经济鱼类。近些年,我国红鳍
东方鲀的人工养殖规模逐年扩大,其产品主要出口
日本和韩国等地。但随着红鳍东方鲀养殖业的迅速
发展,其病害问题越来越突出,已经严重影响了红
鳍东方鲀的育种和生产,造成了巨大的经济损失[3-5]。
为了更好地提高红鳍东方鲀养殖业的经济效益和社
会效益,研究红鳍东方鲀的免疫基因尤为重要。
对红鳍东方鲀特异性免疫基因的研究,不仅可
以从系统发育方面研究脊椎动物免疫系统的进化规
律,也可以开发基因疫苗来提高红鳍东方鲀的免疫
力,预防病害,还可以开展分子标记辅助育种,进
行抗病新品种或新品系的培育,为红鳍东方鲀的高
效生长提供理论依据。
1 鱼类特异性免疫
特异性免疫应答(specific immune response)是
指机体在生活过程中接触某种抗原物质,并对侵入
体内的异物产生一系列的免疫应答连锁反应,从而
对该抗原的再次进入反应强烈,并极大地加速了对
抗原物质的排斥和清除过程[6,7]。鱼类没有脊髓和
淋巴结,胸腺、肾脏、脾脏等成为其主要的免疫器
官[7]。这些免疫器官在鱼类的特异性免疫反应中发
挥着重要的作用。鱼类的特异性免疫反应主要包括
细胞免疫(cellular immunity)和体液免疫(humoral
inmunity)。细胞免疫是机体通过免疫应答的致敏阶
段、反应阶段,T 细胞分化成效应性淋巴细胞发挥
效应的免疫形式,而广义的细胞免疫还包括所有细
红鳍东方鲀特异性免疫相关基因的研究进展
崔军 仇雪梅 姜志强 王秀利
(大连海洋大学水产与生命学院,大连 116023)
摘 要: 红鳍东方 (Takifugu rubripes)是我国北方重要的经济鱼类,但随着人工养殖规模的扩大,红鳍东方 的病害越来
越突出,给红鳍东方 的生产造成了影响。因此,对红鳍东方 免疫相关基因的研究意义十分重大。综述红鳍东方 特异性免疫相
关基因的研究进展。
关键词: 红鳍东方 细胞免疫 体液免疫 特异性免疫基因
Progress of Specific Immune-related Genes in Takifugu rubripes
Cui Jun Qiu Xuemei Jiang Zhiqiang Wang Xiuli
(College of Fisheries and Life Science,Dalian Ocean University,Dalian 116023)
Abstract: Takifugu rubripes is one of the most important economic fish species in the North China. But its diseases are serious and affect
its aquaculture with the expansion of artificial cultivation of Takifugu rubripes. So,it is very significant for the study of the immune-related genes
of Takifugu rubripes. The study advances were reviewed on specific immune-related genes of Takifugu rubripes in this paper.
Key words: Takifugu rubripes Cellular immunity Humoral inmunity Specific immune-related genes
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第9期42
胞因子参与的其他免疫形式[7]。在鲤鱼(Cyprinus
carpio)、斑点叉尾鮰(Ictalurus punctatus)、大西洋
鲑(Salmo salar)、牙鲆(Paralychthys olivaceus)、虹
鳟(Salmo gairdneri)等鱼中鉴定了多种细胞因子,
如白介素、肿瘤坏死因子和趋化因子等[8-11]。体液
免疫是由 B 细胞通过对抗原的识别、活化、增殖,
最后分化成浆细胞并分泌抗体来实现的。因此,抗
体是介导体液的免疫分子,具有高度的特异性[7]。
免疫球蛋白是主要的抗体分子,鳜鱼(Siniperca
chuatsi)、欧洲鳗鲡(Anguilla anguilla)、斜带石斑
鱼(Epinephelus coioides)、鲤鱼、虹鳟等鱼的免疫球
蛋白已经被发现和鉴定,其结构与高等脊椎动物的
基本一致[12-16]。
2 红鳍东方鲀特异性免疫相关基因
2.1 细胞免疫(cellular immunity)及细胞因子
(cytokine,CK)
2.1.1 T 淋巴细胞(T lymphocyte) T 淋巴细胞又
称 T 细胞,其主要功能是介导细胞免疫、调节机体
免疫。T 细胞在分化成熟过程中,细胞表面可表达
各种膜蛋白,如表面抗原分化簇 4 分子(cluster of
differentiation 4,CD4)、表面抗原分化簇8分子 (cluster
of differentiation 8,CD8)、T 细胞抗原受体和表面抗
原分化簇 3 分子(cluster of differentiation 3,CD3)
等,并具有识别抗原、介导特异性免疫应答和免疫
调节的功能[6]。Suetake 等[17]从红鳍东方鲀中克隆
了第一个变温动物的 CD4 基因,该基因具有 12 个
外显子,具有保守序列,它编码 463 个氨基酸,是
由 4 个免疫球蛋白样结构域、1 个跨膜区、细胞质
尾巴组成的。它与鸟类和哺乳动物的 CD4 的相似率
只有 15%-20%。也有学者对其他 T 细胞上的标志
蛋白进行研究,如 Araki 等[18]克隆了红鳍东方鲀的
CD3ε 和 CD3γ/δ 链基因,并在胸腺中发现 CD3ε 有
两个同源基因 CD3ε-1 和 CD3ε-2。CD8 的 α 和 β 链
的基因也从红鳍东方鲀中克隆出来,对 CD8 的分子
鉴定,为辨别 T 细胞亚类的特殊的抗体提供了依据,
同时也为 CD8 和获得性免疫的进化提供了参考[19]。
Wang等[20]确定了红鳍东方鲀T细胞受体 α链基因 (T
cell receptor A,TCRA)。TCRA 是由 V 基因和 J 基因
组成的。在氨基酸序列中,在 V 基因编码的色氨酸 -
酪氨酸 -赖氨酸(Trp-Tyr-Lys) 和酪氨酸 -酪氨酸 -
半胱氨酸(Tyr-Tyr-Cys)和 J 基因编码的赖氨酸 -亮
氨酸-任意氨基酸-苯丙氨酸-甘氨酸-任意氨基酸-
甘氨酸 -苏氨酸 -任意氨基酸 -亮氨酸(Lys-Leu-X-
Phe-Gly-X-Gly-Thr-X-Leu)都保守。淋巴细胞酪氨酸
激酶(lymphocyte cell kinase,Lck)基因编码淋巴细
胞特异性蛋白酪氨酸激酶与 T 细胞的成熟和标志有
关。红鳍东方鲀的 Lck 基因仅有 4.2 kb 长,位于 60
kb 的 Lck 座位上,其编码区长 2.3 kb[21]。Sugamata
等[22]从红鳍东方鲀中鉴定 3 个免疫球蛋白超家族
(B7 家族)成员,B7-H1/DC,B7-H4 和 B7-H3。这 3
种 B7 基因的表达位于血单核细胞表面,这种 B7 单
核细胞激活 T-细胞。研究发现,B7-H1/DC 抑制 T 细
胞增殖,而 B7-H3 和 B7-H4 促进 T 细胞生长。
2.1.2 白介素(interleukin,IL) 细胞白介素是白
细胞或免疫细胞间相互作用的细胞因子,在传递信
息,激活与调节免疫细胞,介导 T、B 细胞活化、增
殖与分化及在炎症反应中起重要作用[23]。红鳍东方
鲀有多种白介素(fuguIL)基因已被鉴定。Zou 等[24],
首次在非哺乳动物中鉴定 IL-10。FuguIL-10 基因包
括 5 个外显子和 4 个内含子,这与哺乳动物相同,
但内含子比哺乳动物小很多。该基因具有 549 个核
苷酸编码序列,编码 183 个氨基酸,其蛋白序列有
44%-50% 与人类的相同,39%-42% 与病毒相同,
37%-42% 与 IL-20、IL-22 相同。FuguIL-10 在红鳍
东方鲀的肝、肾、肠和脊髓中的表达量低,在鳃、脑、
脾、性腺和眼睛中不表达。红鳍东方鲀的 IL-12 的
亚基 IL-12 p35 和 IL-12 p40 的 cDNAs 也被克隆,这
是在非哺乳动物中首次确定 IL-12 亚基的 cDNAs。
研究表明,FuguIL-12 与哺乳动物的同源性为:p35:
50.4%-58.0%、p40 :51.2%-55.4% [25]。Bird 等[26]
首次在红鳍东方鲀中确定了 IL-2 和 IL-21 的存在,
FuguIL-2 包含 149 个氨基酸,具有 IL-2 家族的标志,
即 3 个 α-螺旋,2 个半胱氨酸形成二硫键;FuguIL-21
具有 155 个氨基酸,4 个 α-螺旋,4 个半胱氨酸形成
二硫键。同样,FuguIL-6也在红鳍东方鲀中被确定[27]。
Bei 等[28] 报 道 了 红 鳍 东 方鲀的 2 个 与 哺 乳 动
物 IL-15 同源的基因。其中一个包括 6 个外显子,
是与人和鸡的 IL-15 基因相似的外显子 - 内含子结
构,而另一个包括 4 个外显子。FuguIL-7 cDNA 长 1
2012年第9期 43崔军等 :红鳍东方鲀特异性免疫相关基因的研究进展
438 bp,包括5-非编码区(117 bp),3端非编码区(826
bp)和开放阅读框(498 bp),这是首次在硬骨鱼中
克隆的 IL-7[29]。FuguIL-7 与鸡和哺乳动物的 IL-7、
哺乳动物的 IL-9 的亲缘关系较近,而与 IL-2、IL-4、
IL-5和IL-21亲缘关系较远。Korenaga 等[30]研究表明,
红鳍东方鲀的 5 个序列骨架包含 IL-17 家族的同源基
因。其中 scaffold1 包含 IL-17A/F1、IL-17A/F2 和 IL-
17C2 基因,而 scaffold38、scaffold143 和 scaffold430
分别包含 IL-17D、IL-17A/F3 和 IL-17C1 基因。此
外,在 scaffold264 中包含了一个在硬骨鱼中新类型
的 IL-17 家族的基因。
2.1.3 集落刺激因子(colony stimulating factor,CSF)
GSF 是能够刺激骨髓祖细胞扩增和分化的细胞因
子,包括粒细胞集落刺激因子(granulocyte colony-
stimulating factor,G-CSF)、粒细胞巨噬细胞集落
刺激因子(granulocyte-macrophage colony stimulating
factor ,GM-CSF) 和 巨 噬 细 胞 集 落 刺 激 因 子
(macrophage colony-stimulating factor,M-CSF) [6]。红
鳍东方鲀的细胞集落刺激因子 1 的受体 1 和受体 2
(CSF1R1、CSF1R2)的基因和 CSF3 基因均被克隆,
其中 CFS3 具有 2 个同源基因 [31,32]。红鳍东方鲀巨
噬细胞集落刺激因子受体(M-CSFR)的氨基酸序列
与彩虹鲑鱼的有 54% 的相同率[33]。促红细胞生成
素(erythropoietin,Epo)也是一种促进血细胞分化
的因子。Chou等 [34]从红鳍东方鲀中克隆了Epo基因,
这是第一次从非哺乳动物中克隆 Epo 基因。该基因
具有 5 个外显子和 4 个内含子,还具有一个缺氧反
应域(HRE),编码 185 个氨基酸[35]。
此外,还有一些其他的细胞因子基因也被鉴
定出来。红鳍东方鲀的 CXC 趋化因子配体 8(CXC
chemokine ligand 8,CXCL8)包括 4 个外显子和 3
个内含子,而 CXC 趋化因子受体(CXC chemokine
reporter ,CXCR) 基因包括 2 个外显子,1 个内含
子[36]。Zou 等[37]在红鳍东方鲀中鉴定了干扰素 -γ
(IFN-γ)的同源分子。Savan 等[38]首次在红鳍东方
鲀中发现了肿瘤坏死因子(TNF)基因座位,其包
含 TNF-α 和 TNF-N 基因,并且二者彼此分离。
2.2 体液免疫(humoral inmunity)
2.2.1 B 淋巴细胞(B lymphocyte) B 淋巴细胞又称
B 细胞,其主要功能是介导体液免疫,它还是重要
的传递抗原细胞,能摄取、加工和递呈抗原,同时
分泌细胞因子[6]。对红鳍东方鲀 B 细胞的终端分化
研 究 发 现,Blimp-1、Bcl-6、XBP-1、Pax-5、TLE-3
与 B 细胞终端分化有关的,并克隆了 Blimp-1 和
BCL-6 基因。BCL-6 基因是由 8 个外显子和 7 个内
含子组成的,长 3.3 kb,而 BCL-6mRNA 具有 211
2 个碱基,编码 703 个氨基酸。BCL-6 蛋白 N 端为
BTB/POZ 域,C 端具有 6 个 C2H2-类型锌指结构,
它在前肾、胸腺、小肠、卵巢、脑、鼻腔和肌肉中
表达量高。研究发现,BCL-6 蛋白是 B 细胞分化的
转录抑制物,主要是阻止成熟的 B 细胞分化成血浆
细胞[39-42]。E 蛋白对 B 淋巴细胞的发育和功能非常
重要,它影响免疫球蛋白基因的表达。Hikima 等[43]
在红鳍东方鲀中发现了完整的 E 蛋白基因家族序列。
同人类的基因比较,存在 5 个同源的 E 蛋白,即两
种 E2A,HEB,E2-2 和 EX。Suetake 等[44] 报道了
红鳍东方鲀 B 细胞的标志为免疫球蛋白 IgM 和 IgD
的重链和 Ig 轻链。
2.2.2 免疫球蛋白(Immunoglobulin,Ig) 免疫球
蛋白是一种类糖蛋白,其主体是体液免疫应答的效
应分子。其基本结构是一个 Y 型的四肽链,由两条
完全相同的重链(H 链)和两条完全相同的轻链(L
链)组成[6]。Saha 等[45-47]在构建的红鳍东方鲀免
疫球蛋白轻链的 cDNA 文库中,发现免疫球蛋白轻
链 cDNA 是由 V(L)和 C(L)片段组成的 ;从同
时构建的 IgM 重链的 cDNA 文库中,发现 IgM 基因
不在淋巴组织中表达,而在头肾、脾肾、胸腺中表
达。另外,IgM 也在黏膜组织中表达,如皮肤、鳃、
肠 ;克隆了 IgD 的 cDNA,发现 IgD 开始的 6 个 δ-阈
是重复的。IgD 的表达也只在脾脏、头和肾中表达,
这种表达方式与 IgM 的相似。从红鳍东方鲀中分离
出一个编码聚合免疫球蛋白受体(plgR)的基因[48],
该基因在皮肤中表达,通过 plgR 的 2 个免疫球蛋白
样结构域将四聚体 IgM 捕获并转运到皮肤黏液中。
3 展望
红鳍东方鲀特异性免疫相关基因的研究对红鳍
东方鲀的病害防治具有指导意义,可以加快基因疫
苗的研发与应用,同时也为其养殖业开拓了广阔的
前景。
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第9期44
目前,红鳍东方鲀特异性免疫基因的研究主要
集中在对基因的分子克隆及表达研究上,这对从本
质上了解红鳍东方鲀的特异性免疫应答和调节远远
不够。随着分子生物学、基因组学以及高通量测序
技术的快速发展,结合已经完成测序的红鳍东方鲀
的基因组,将对研究红鳍东方鲀特异性免疫的网络
调节起到巨大的推动作用 ;有利于全面了解红鳍东
方鲀免疫调节的机制,丰富特异性免疫受体、细胞
因子等的组成 ;有利于人类全面了解自身免疫系统
演化,并为特异性免疫基因的进化及比较基因组学
的研究奠定基础。
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(责任编辑 狄艳红)