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Evolution of the complement system

补体系统的进化



全 文 :第24卷 第4期
2012年4月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 24, No. 4
Apr., 2012
文章编号:1004-0374(2012)04-0362-06
补体系统的进化
余英才1,张 纯2,夏循礼1,梁永红1*
(1 江西中医学院,南昌 330004;2 南昌工程学院,南昌 330099)
摘 要:补体系统中的大多数组织成员有着特征性的结构域及其特有的结构域组合形式,这使得我们可以
利用基因组数据研究分析补体系统的起源与进化。综合文献报道和数据分析,发现补体系统的某些结构域
存在于低等的后口动物,甚至在原口动物中也有大量分布,但哺乳动物中特有的结构域组合方式只在后口
动物中存在。这些揭示了补体系统拥有比适应性免疫更早的起源,完善的补体系统可能形成在后口动物中
的无脊椎动物,而更为原始的补体系统雏形则在原口动物中已经出现。就近些年的研究成果作一综述,以
期系统阐明补体系统的起源与进化。
关键词:补体系统;膜攻击复合体;MBL;C3;进化
中图分类号:Q352;R392.1;Q961 文献标志码:A
Evolution of the complement system
YU Ying-Cai1, ZHANG Chun2, XIA Xun-Li1, LIANG Yong-Hong1*
(1 Jiangxi University of Traditional Chinese Medicine, Nanchang 330004, China; 2 Nanchang Institute of Techology,
Nanchang 330099, China)
Abstract: Most of complement components show characteristic domain structure and adopt unique combinations,
enabling us to study the origin and evolution of the complement system by using genome database. According to the
data published in literatures and genome database, most of characteristic domains are present in genomes of
invertebrate deuterostomes, even in protostomes. However, unique combinations of these domains founded in
human complement components are not found in those genomes of protostomes. All of these are indicating that the
origin of the complement system is much more ancient than that of adaptive immunity, the perfect complement
system seems to have been established at the early stage of deuterostome evolution, and the more primitive one
have emerged in protostomes. This review will focus on the recent progress in comparative immunology of
complement system.
Key words: complement system; membrane attack complex; MBL; C3; evolution
收稿日期:2011-12-12; 修回日期:2012-01-17
基金项目:江西中医学院博士启动基金(530009);江
西中医学院重点学科青年教师培养计划项目(530171)
*通信作者:E-mail: liangli4@126.com; Tel: 0791-87118921
为应对环境存在的大量病原微生物的压力,生
物体在漫长的进化过程中发展了一套复杂而精确的
抗感染机制——免疫系统,包括先天性免疫系统
和适应性免疫系统。补体系统是由一系列约 40种
蛋白质分子所组成,有着精密调控机制的蛋白质反
应系统。它参与破坏或清除病原微生物,是先天性
和适应性免疫的交汇点,包括经典途径 (classical
pathway)、凝集素途径 (lectin pathway)和旁路途径
(alternative pathway)三条激活途径。大量的证据表
明,适应性免疫系统建立在有颌类脊椎动物进化的
早期 [1],而补体系统却有更早的起源,像无颌脊椎
动物七鳃鳗 (lamprey)和盲鳗 (hagfish),甚至无脊椎
的后口动物,如海胆 (sea urchin)、海鞘 (ascidian)
和文昌鱼 (amphioxus)等均发现该系统的存在 [2]。
这些动物都被认为出现在两次基因组大规模复制之
前,因此,推测它们的补体系统要比高等脊椎动物
的更为简单。相对于后口动物,那些补体系统特异
余英才,等:补体系统的进化第4期 363
的结构域并未在原口动物,如线虫 (Caenorhabditis
elegans)和果蝇 (Drosophila melanogaster)的基因组数
据库中找到,推测补体系统是在后口动物进化早期
出现的。然而,补体系统的中心分子C3及其同源基因
C4和C5却是个例外,在一些原口动物中发现了它们
的同源基因,如鲎(Carcinoscorpius rotundicauda)的
CrC3[3],蛤 (Ruditapes decussatus)的 RD-C3[4],海葵
(Haliplanella lineate)和按蚊 (Anopheles gambiae)的
TEP (Thioester containing protein)等[5-7]。此外,在鲎和
蛤中分别还发现B因子的同源基因[3-4]。本文就补体
系统进化方面的研究做一概述。
1 MBL/C1q/ficolin
补体系统的上游识别分子主要包括 C1q、甘露
糖结合凝集素 (mannose binding lectin,MBL)和纤
维胶原素 (ficolin),其中 C1q参与经典途径的激活,
而后两者参与凝集素途径的激活,三者最终均引起
C3的活化,进而引发相应的效应。经典途径是抗
体介导的体液免疫应答的主要效应方式,激活该途
径的物质主要是免疫复合物,C1q与免疫球蛋白的
Fc段相互结合后,分子构象发生改变,引起 C1r和
C1s的依次活化,随之引起一系列的效应。C1q所
介导的经典途径属适应性免疫范畴,仅发现于有颌
类的脊椎动物中。C1q分子的 N端具有胶原区,C
端具有 C1q结构域;包含 C1q结合域的分子 (C1q
domain containing,C1qDC)在生物界中广泛存在,
甚至在低等的细菌中也有发现 [8],而具备高等脊椎
动物类似结构的 C1q或 C1q样分子目前仅在后口
动物中发现。最近几年,不断有更为低等的物种中
存在 C1q分子的报道,如在七鳃鳗中发现一个
LC1q分子,该分子不参与经典途径的激活,却作
为凝集素分子与MASP(MBL-associated serine protease)
结合参与补体系统的另一激活途径——凝集素途
径 [9]。在比七鳃鳗更为低等的动物文昌鱼中也发现
一个 AmphiC1q1分子,它具有部分脊椎动物 C1q
分子的特性,如抑制血小板凝集等,但未发现其具
有类似七鳃鳗 LC1q的功能,如与 GlcNAc结合的
能力,是否也能激活凝集素途径,暂未见后续的报
道 [10]。令人兴奋的是,目前在低等的无脊椎动物中
发现了一系列 C1qDC分子,且实验证明具有参与
免疫识别的作用,如软体动物海湾扇贝 (Argopecten
irradians)的 AiC1qDC-1分子进行体外实验发现具
有真菌凝集活性,而该活性可以被 D-甘露糖和肽
聚糖所抑制 [11];在贻贝 (Mytilus galloprovincialis)
中发现的MgC1q通过 Q-PCR分析也显示作为模式
识别分子参与先天性免疫应答[12];紧接着报道鉴定
出多达168个C1qDC转录本序列[13]。这些发现对认
识补体分子在早期进化中的起源具有很大的提示作
用。从目前的信息来看,凝集素途径可能拥有比经
典途径更早的起源。
MBL和 ficolin为模式识别分子,参与补体系
统中凝集素途径的激活,它们能够识别细菌的甘露
糖残基并与之结合,然后与MASP相结合从而引起
一系列的效应。相较其他两条激活途径,凝集素途
径是较晚确立的一条途径,直至1995年才鉴定明确,
而早期也只在哺乳动物中发现该途径的存在。后来,
在更为低等的脊椎动物中发现了相关分子,如硬骨
鱼类中发现MBL分子,并且存在多个亚型 [14]。在
无颌类七鳃鳗中克隆到 MBL 分子,通过功能实
验表明其参与补体的激活 [15];在海鞘中发现了类似
MBL的葡萄糖结合凝集素 (glucose-binding lectin,
GBL),GBL具有与MBL一样的糖结合结构域 (C-type
lectin domains, CTLDs),但在 N端缺乏胶原区,实
验结果表明也能与海鞘的MASP结合激活凝集素途
径 [16];之后又克隆到两个具有哺乳动物MBL相同
结构的 CoiMBL分子,通过免疫组织化学实验发现
与MASP共定位于胃肠道上皮细胞 [17]。MBL的重
要功能结构域 CTLDs在头索动物文昌鱼基因组中
发现超过 1 000多个,远远高于人类,甚至其他目
前已知基因组序列的物种,推测文昌鱼中该基因处
在大爆炸时期,为精确的功能分工作储备 [18]。此外,
在更为低等的软体动物和节肢动物中也有大量包含
CTLDs的凝集素分子。在海湾扇贝中发现多个 C
型凝集素分子,其中 AiCTL-7具有甘露糖特异的
真菌凝集活性,推测参与初始的急性反应期的免疫
应答 [19]。栉孔扇贝 (Chlamys farreri)的 CfLec-1不
但介导免疫识别,而且具有调理作用 [20],而调理作
用是脊椎动物补体系统的一个重要功能。小龙虾
(Procambarus clarkii)的 Pc-Lec1以及中华绒鳌蟹
(Eriocheir sinensis)的 Es-lectin分别作为模式识别分
子介导细胞免疫反应和参与先天性免疫识别 [21-22]。
这一系列研究发现表明,在原口动物中的 C型凝集
素分子可能是进化过程中凝集素途径MBL识别分
子上游的祖先,到了后口动物才发展具备胶原区加
CTLDs的结构形式,参与完善的补体系统。
ficolin与 MBL结构类似,N端具有胶原区,
只是在 C端的纤维蛋白原样结构域 (fibrinogen-like
domain, FBG)取代了糖结合结构域。包含一个或多
生命科学 第24卷364
个 FBG结构域的蛋白称为纤维蛋白原相关蛋白
(fibrinogen-related proteins, FREPs),广泛存在于脊椎
动物和无脊椎动物中,参与多种免疫反应以及一些
生理作用。在人类中,存在 L-ficolin、H-ficolin和
M-ficolin三个分子均能与MASPs结合激活补体系统;
在低等生物中也获得新型的 ficolin分子 AsFCNs,
后来研究发现其中 ficolin 3可能参与先天性免疫反
应,但是否参与补体激活有待进一步验证 [23-24]。值
得一提的是,最近在文昌鱼中发现了一个 ficolin的
同源分子 BjFCN1,并通过实验证明参与了补体系
统的凝集素途径 [25]。FREPs分子在无脊椎动物中
得到了广泛的研究,如在文昌鱼中还发现另一个
BtFREP分子,具有广谱溶菌活性 [26];贻贝中的
FREPs虽然缺乏胶原区,但具备类似脊椎动物
ficolins的活性,如细菌感染或 PAMP处理,这些
分子的表达量明显上升,且呈现调理活性 [27]。通过
对 12个种的果蝇进行全基因组搜索发现,这些
FBG结构域具有高度的序列相似性和保守性,其中
一些 FBG结构预测具有先天性免疫中对微生物表
面糖组分及其衍生物的识别功能 [28]。这些表明,
FREPs分子的补体功能的始祖可追溯到原口动物进
化早期。
2 丝氨酸蛋白酶
在脊椎动物中,丝氨酸蛋白酶具有多种功能,
其中之一就是在补体系统中的作用。除因子
D(factor D)之外,大多数哺乳动物补体系统中的丝
氨酸蛋白酶如 MASP/C1r/C1s、因子 I 和因子
B/C2 都有特征性的结构域——C末端的丝氨酸蛋
白酶结构域 (trypsin-like serine protease,Trypc_SPc),
并在补体系统中起重要的催化作用 [29]。除该结构外,
这些丝氨酸蛋白酶还具有很多其他的结构域,如
LDLa(LDL receptor domain class A)、CCP (comple-
ment control protein)、EGF_CA(calcium-binding
EGF-like domain)、CUB(C1, uEGF, bone morphogenic
protein)、FIMAC(factor I, membrane attack complex
protein)和SRCR(scavenger receptor cysteine-rich)等。
这些结构域也存在于低等生物如线虫、果蝇、螨等
的基因组中 [5, 30-31],然而,哺乳动物补体系统中特
有的结构域组合方式 (如 MASP1/2/3、C1r和 C1s
五个分子具有 CUB-EGF_CA-CUB-CCP-CCP-Tryp_
SPc的结构形式 )并未在它们当中发现,相反地,
大多数组合方式却在海鞘和文昌鱼中发现 [18, 32-33],
而且脊椎动物因子 B(factor B)特异的模块结构在棘
皮动物 (echinoderm)海胆中也是保守的 [34],因子 I
也首次在有颌脊椎动物以外的物种七鳃鳗中发
现 [35],而对海葵全基因组分析并未发现因子 I的存
在 [36]。这些都暗示完善的补体系统是后口动物所特
有的,据此推断补体系统丝氨酸蛋白酶的基本结构
是在后口动物进化早期建立的。
3 C3/C4/C5
C3是哺乳动物补体系统中最重要的组成部分,
是激活和效应中心,补体系统的三大激活途径均汇
集于 C3,然后产生相应的效应。C3也与旁路途径
的激活起始有关,旁路途径属于自发性激活,一种
称为 C3的“慢速运转”(tickover)机制 [37]。每小时
大约有占总体 1%的 C3自发地发生“tickover”,产
生结构变更的 C3,称 C3(H2O),而 C3(H2O)能与因
子 B结合,因子 B自身发生构象变化而能被保持
激活的血清蛋白酶因子 D所裂解,之后引起一连串
的效应导致的 C3的裂解激活。C3的存在通常可作
为补体系统中旁路激活途径存在的一个依据。C3
是个包含硫酯的蛋白,相对于补体系统中的其他组
成部分而言,C3没有非常清晰的结构区域,但它
的系统发生可以追溯到原口动物——刺胞动物、
节肢动物和两侧对称动物 [5,31,38],可以认为 C3是补
体系统进化过程中最早出现的分子。在哺乳动物中,
C3与 C4、C5同源,这三个分子与血清蛋白酶抑制
因子 α2M(α-2-macroglobulin)以及血细胞的 GPI锚
定膜蛋白 CD109[39]同属于一个家族——硫酯包含
蛋白家族 [40]。目前,已经在低等的后口动物乃至原
口动物中克隆获得 C3的 cDNA序列,部分有了功
能上的研究结果 [3, 41-42]。在按蚊和果蝇中均发现硫
酯包含蛋白 TEP,据报道这些分子拥有类似于脊椎
动物 C3的调理作用,它们作为调理素参与病原菌
的清除 [43-45]。研究认为果蝇和按蚊中存在以 TEP为
中心的类补体途径。然而,从序列进化分析来看,
昆虫 TEP分子亲缘关系更接近于 CD109或 α2M,
而不是 C3/C4/C5(构建系统进化树显示硫酯包含蛋
白家族聚成 CD109/α2M 和 C3/C4/C5两簇 )[46],那
么后口动物 C3/C4/C5与昆虫 TEP的免疫功能的分
享可能是功能的汇聚而不是共同的祖先。当然,还
有一种可能就是硫酯包含蛋白的原始功能特征之一
是免疫功能,只是 α2M这簇一些成员后来丢失了
这些功能。对原始类群中硫酯包含蛋白的更深入分
析研究有助于揭示该蛋白家族的早期发生。研究者
在这方面作了很多探索,如在文昌鱼中发现一个
余英才,等:补体系统的进化第4期 365
构域。从功能上看,免疫细胞毒性作用仅追溯到鲨
鱼,七鳃鳗的补体系统目前发现只有调理作用,而
未见有细胞裂解方面功能的报道,而文昌鱼的 C6-
like分子的功能是否作为细胞裂解因子还不清楚,
有待进一步的功能研究。
5 结语
如前所述,通过基因组数据分析发现硫酯包含
蛋白、丝氨酸蛋白酶和MACPF基序分子等也存在
于后口无脊椎动物中,那么这些动物可能具有与高
等脊椎动物类似的功能完备的补体系统。然而,现
在的研究数据缺乏大部分功能上的直接证据,只有
少许的功能报道,如在海胆和海鞘补体系统中发现
的调理作用 [42,51],七鳃鳗 LC1q和 MBL、文昌鱼
BjFCN1均可分别与各自MASP结合导致 C3的裂
解 [9,15,25]。因此,补体组分之间的可能功能链还需
要更为深入的实验研究。图 1展示出了迄今为止从
低等到高等动物补体系统中的研究概况。从整个补
体系统的进化来看,我们可以认为旁路途径是最先
出现的激活途径,而后才出现凝集素途径,而经典
的激活途径是到了有颌脊椎动物才具备的。随着对
低等动物补体系统的研究更加深入,相信对补体系
统的起源与进化会有更深的了解,也对高等脊椎动
物的研究有很好的促进作用 。
[参 考 文 献]
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染嗜水气单胞菌后表达量显著上升 [48];而罗氏沼虾
(Macrobrachium rosenbergii)的 α2M的表达量变化
与蜕皮期和细菌感染密切相关 [49]。最近,在海葵中
也发现四个 TEP分子,据构建进化树分析,其中两
个命名为 HaliA2M和 HaliCD109,另两个命名为
HaliC3-1和 HaliC3-2,每个分子均保留基本的结构
域和重要的功能位点,mRNA的表达分布却有各自
的特点,表明 CD109、C3和 α2M的基因复制与功
能分化可追溯到刺胞动物和两侧对称动物分化之
前 [5]。这一系列研究报道表明,补体中心分子 C3
的出现可能要追溯到更早的腔肠动物时期。
4 膜攻击复合体
补体系统的激活引起的最终效应是清除外来
物,以保护机体免受伤害。在哺乳动物中,补体系
统的终末成分 C6/C7/C8/C9等分子可共同组装成膜
攻击复合体 (membrane attack complex, MAC)而裂
解目的细胞,或 C3标记外来物后被调理吞噬。补
体系统中参与MAC形成的组分有一个重要的共同
特征就是包含一个 MACPF(MAC/perforin)的特征
结构域,这个结构域也在参与介导细胞毒性的穿孔
素 (perforin)中发现 [50]。穿孔素储存在细胞毒性 T
细胞 (cytotoxic T cells)和自然杀伤细胞 (natural killer
cells)的溶解颗粒中,一旦这些细胞被激活,穿孔
素就会被释放并在目标细胞的膜上聚合产生跨膜
孔。因此,所有参与免疫细胞毒性的中枢分子可能
共同起源于包含MACPF结构域的祖先分子。迄今
为止,这些分子只在哺乳动物中发现并得到功能上
的确定,在硬骨鱼中只克隆到 C8和 C9的 cDNA
序列并发现MAC的存在,对该类分子的免疫毒性
起源进化知之甚少。通过对人类全基因组序列搜索
发现仅存在 6个具有MACPF结构域的基因,包括
穿孔素、C6、C7、C8α、C8β和 C9,而在原口动
物果蝇基因组中并没有发现任何分子具有MACPF
结构域。该结构域可能只存在于后口动物中,如在
头索动物 (cephalochordate)文昌鱼中有 C6-like分子
cDNA的报道,序列分析发现该分子与人的 C6亲
缘关系较近 [41]。令人惊讶的是,后续的报道中,在
海鞘的基因组序列中竟然发现 10多个包含MACPF
结构域的基因 [32],而在文昌鱼的基因组序列中也发
现多达 29个 [18],这些基因大多数具有与人 C6类
似的结构,也存在一些物种所特有的不明功能的结
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