无颌类脊椎动物适应性免疫系统的进化

适应性免疫系统的起源与进化问题一直是人们研究的热点, 以七鳃鳗为代表的无颌类脊椎动物, 被普遍认为处在进化出适应性免疫系统的边缘。因此, 研究无颌类脊椎动物适应性免疫的机制, 对揭示适应性免疫系统的起源与进化具有重要意义。研究表明, 无颌类在一定范围内具有高等脊椎动物特有的适应性免疫特征, 并发现了一些在结构或功能上与高等脊椎动物免疫相关基因同源的免疫因子。文章就近年来对无颌类脊椎动物适应性免疫系统机制的研究进展作一概述, 为进一步深入研究脊椎动物适应性免疫系统的起源与进化提供有益的参考。     

七鳃鳗鳃黏膜免疫系统类淋巴细胞免疫应答遗传基础

近年来,在无颌类脊椎动物七鳃鳗体内发现了以可变淋巴细胞受体(Variable lymphocyte receptors, VLR)为基础的抗原识别机制。为揭示七鳃鳗鳃黏膜免疫系统中类淋巴细胞适应性免疫应答的遗传基础,探索无颌类与有颌类脊椎动物在适应性免疫应答机制上的进化关系,本文构建了日本七鳃鳗(Lampetra japonica)鳃囊组织免疫前后cDNA文库并进行了高通量转录组测序及分析。通过对组装得到的88 525个独立基因(Unigene)进行功能注释,分别有21 704和9769个unigene在GO(Gene Ontology)和KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)数据库得到注释。999个unigene参与免疫系统的多个通路,其中184个与高等脊椎动物TCR(T cell receptor)和BCR(B cell receptor)信号通路的51个分子具有较高的同源关系,说明七鳃鳗体内存在高等脊椎动物适应性免疫应答信号通路的相关分子。本文还发现5个VLRA、7个VLRB和4个VLRC分子,说明七鳃鳗鳃黏膜免疫组织内至少分布3种类淋巴细胞亚群。实时荧光定量PCR结果显示,Lck、Fyn和Zap70基因在免疫激发后表达量显著上调,而Syk、Btk和Blnk基因表达没有显著变化,说明七鳃鳗鳃组织受到抗原刺激后,类似T淋巴细胞的信号转导途径被激活。本研究初步证明,尽管无颌类和有颌类脊椎动物的适应性免疫系统在抗原识别机制上存在不同,但具有共同的遗传基础。研究结果为探讨七鳃鳗VLRA⁺、VLRB⁺和VLRC⁺淋巴细胞免疫应答信号传导过程提供了有价值的线索。     

封面说明

正免疫系统是生命从简单到复杂进化到一定程度后形成的防御体系,用以保障个体的生存和物种的演化。无颌类脊椎动物七鳃鳗(Lampetrajaponica)虽然不具备高等脊椎动物基于MHC、TCR/BCR和Ig组成的适应性免疫系统,但通过多样性丰富的抗原识别受体分子——可变淋巴细胞受体VLRA、VLRB和VLRC形成其独特的适应性免疫系统。本期李歆等"七鳃鳗Lja-SHP2分子鉴定、重组表达及免疫学研究"一文研究了信号分子Lja-SHP2在七鳃鳗免疫应答中的作用,以期为进一步探索Lja-SHP2在VLRA~+细胞亚群免疫应答过程中所扮演的角色提供依据。封面插图展示了在受到不同病原物刺激后三类淋巴细胞亚群可能分别被激活、增殖。其中,VLRA~+和VLRC~+细胞类似于高等脊椎动物的αβ和γδT细胞,可能产生一些细胞因子作用于VLRB~+细胞,而VLRB~+细胞类似于高等脊椎动物的B细胞,可进一步分化成浆细胞样大淋巴细胞,能够表达并分泌VLRB四聚体或五聚体抗体以消灭特定病原物。     

日本七鳃鳗钙调蛋白分子克隆、组织定位及功能分析

钙调蛋白（calmodulin,CaM）是高度保守的钙离子结合蛋白质,可形成Ca ²⁺-CaM复合体,从而调节细胞代谢以及靶酶的功能。日本七鳃鳗（Lampetra japonica）作为原始的无颌类脊椎动物,对研究脊椎动物分子起源进化及器官发育分化具有重要的研究价值。通过提取日本七鳃鳗髓组织总RNA,利用RT-PCR方法获得日本七鳃鳗CaM（简称Lj-CaM）基因并进行生物信息学分析。将Lj-CaM基因分别构建到原核表达载体pColdⅠ和真核表达载体pEGFP-N1中,利用亲和层析技术纯化得到Lj-CaM蛋白。圆二色谱分析结果表明,Lj-CaM属于典型的α-螺旋结构型蛋白质。免疫印迹和免疫组化结果表明,CaM主要存在于日本七鳃鳗的肠、鳃、髓、肾组织中,在心和肝组织中几乎不表达。细胞免疫荧光结果显示,CaM定位于细胞核中。qPCR和免疫印迹方法检测发现,当293T细胞中Lj-CaM过表达时,对下游靶基因CaMKⅡ作用不明显,但促进PLA2G2A表达。本研究报道了日本七鳃鳗CaM结构、细胞组织定位分布以及基因调控研究,对其结构、分子起源与进化、分子调控及功能方面的研究奠定了基础。     

日本七鳃鳗钙调蛋白分子克隆、组织定位及功能分析北大核心CSCD

钙调蛋白(calmodulin,CaM)是高度保守的钙离子结合蛋白质,可形成Ca2+-CaM复合体,从而调节细胞代谢以及靶酶的功能。日本七鳃鳗(Lampetra japonica)作为原始的无颌类脊椎动物,对研究脊椎动物分子起源进化及器官发育分化具有重要的研究价值。通过提取日本七鳃鳗髓组织总RNA,利用RT-PCR方法获得日本七鳃鳗CaM(简称Lj-CaM)基因并进行生物信息学分析。将LjCaM基因分别构建到原核表达载体p ColdⅠ和真核表达载体p EGFP-N1中,利用亲和层析技术纯化得到Lj-CaM蛋白。圆二色谱分析结果表明,Lj-CaM属于典型的α-螺旋结构型蛋白质。免疫印迹和免疫组化结果表明,CaM主要存在于日本七鳃鳗的肠、鳃、髓、肾组织中,在心和肝组织中几乎不表达。细胞免疫荧光结果显示,CaM定位于细胞核中。q PCR和免疫印迹方法检测发现,当293T细胞中Lj-CaM过表达时,对下游靶基因CaMKⅡ作用不明显,但促进PLA2G2A表达。本研究报道了日本七鳃鳗CaM结构、细胞组织定位分布以及基因调控研究,对其结构、分子起源与进化、分子调控及功能方面的研究奠定了基础。     

七鳃鳗血清中补体C3和VLRB介导的免疫防御

日本七鳃鳗（Lampetra japonica）属最原始的无颌类脊椎动物,是研究免疫起源与进化的重要模式生物。七鳃鳗血清中C3分子(L-C3)是其含量最高的补体成分,在补体经典激活途径和旁路激活途径中均发挥重要作用。本文通过PCR扩增获取C3分子α-γ链的基因序列,构建到原核表达载体pET-28a,成功在大肠杆菌中表达C3部分蛋白质并制备多克隆抗体。利用流式细胞术和激光共聚焦证明,L-C3分布在神经轴体的胞浆中。免疫共沉淀及细胞沉积结果显示,七鳃鳗血清中,VLRB与L-C3蛋白相互作用并共沉积于靶细胞膜表面。天然L-C3和VLRB清除实验,验证其在参与七鳃鳗血清杀伤靶细胞时发挥重要作用。本研究为七鳃鳗补体系统的研究奠定了基础,为七鳃鳗免疫起源与进化提供重要资料。     

高等脊椎动物Toll样受体基因分子进化模式研究进展

Toll样受体是高等脊椎动物(包含无颌类到哺乳类)先天性免疫防卫系统中的必要元件,它们负责识别病原微生物,并最终引起宿主动物体内的免疫应答反应。通过研究TLR家族基因的遗传多样性是如何被保留和维持的,有利于了解动物免疫系统在病原微生物选择压力下的适应性进化。第2代测序技术的发展为TLR基因的分子进化模式提供了更丰富的资源。介绍TLR家族基因的结构及功能,着重于该受体基因在高等脊椎动物中的进化模式,从而揭示TLR家族基因在脊椎动物先天性免疫系统的适应性进化中的重要性,并进一步阐明宿主与病原微生物之间的协同进化模式。     

无颌类脊椎动物适应性免疫系统的研究进展

在以七鳃鳗和盲鳗为代表的无颌类脊椎动物中, 虽然发现了与有颌类脊椎动物T细胞受体(T-cell receptors, TLRs)、B细胞受体 (B-cell receptors, BCRs)可变区具有相似结构的先天性免疫受体, 却从未发现有颌类脊椎动物适应性免疫系统的核心组分: TCRs、BCRs、组织相容性复合体 (Major histocompatibility complex, MHC)。因此, 长期以来, 人们一直认为适应性免疫系统只存在于有颌类脊椎动物中。但最近的一项发现彻底改变了这一传统观念, 即在无颌类脊椎动物中, 存在一种新型可变淋巴细胞受体VLRs(Variable lymphocyte receptors), VLRs通过改变亮氨酸富集序列LRRs(Leucine-rich repeats)的插入情况, 实现对特异性抗原的高效识别。晶体衍射分析发现, 盲鳗的VLRs呈现一种“马蹄”型结构, 抗原结合位点则位于“马蹄”的凹面区。分泌型的VLRs以四聚体或五聚体的形式识别、结合特异性抗原。综上所述, 无颌类和有颌类脊椎动物应用不同的抗原识别系统完成适应性免疫反应。文章对近年来无颌类脊椎动物适应性免疫系统相关分子的研究进展加以概述, 为揭示适应性免疫系统起源与进化问题提供有益参考。     

2012年第4期《遗传》封面说明

七鳃鳗(Lampetra japonica)属无颌类脊椎动物,是现存脊椎动物中最古老、最原始的物种之一。其化石记录可以追溯到志留纪及寒武纪,有现存的"活化石"之称,它印记了从无脊椎动物到脊椎动物的进化历史,同时作为脊椎动物的祖     

东北七鳃鳗肠道应答气单胞菌免疫刺激相关蛋白的鉴定北大核心CSCD

动物肠道中寄生的微生物与宿主的营养、免疫及防御功能密切相关。本研究在东北七鳃鳗肠道中分离获得一株优势细菌,并鉴定为气单胞菌属(Aeromonads sp.)。建立了荧光定量PCR快速检测气单胞菌拷贝数的方法,经poly(I∶C)刺激后,气单胞菌数量下降1.15倍。因此,该肠道气单胞菌被认为是七鳃鳗肠道适应性免疫系统进化的关键菌群之一。为了进一步分析气单胞菌对东北七鳃鳗肠道适应性免疫影响的分子机制,将分离菌株腹腔注射七鳃鳗,利用双向电泳技术鉴定了七鳃鳗肠道应答气单胞菌免疫刺激的相关蛋白。共鉴定19个差异表达蛋白质,其中12个蛋白质表达上调,5个蛋白质表达下调,1个蛋白质刺激后消失,1个新增蛋白质,并对蛋白质功能进行分类。七鳃鳗肠道应答气单胞菌免疫刺激的差异表达蛋白分别参与了七鳃鳗适应性免疫调控、信号转导及能量代谢等。该研究可拓宽对七鳃鳗免疫研究的途径,为深入探讨适应性免疫系统发育提供理论基础和新的研究思路。     

日本七鳃鳗(Lampetra japonica)VLRB的克隆表达及单克隆抗体制备

七鳃鳗(Lampetra japonica)和盲鳗(Hyperotreti)作为现存的无颌类脊椎动物的代表,其适应性免疫系统中的受体分子与哺乳动物的抗原受体分子不同,这种独特的受体分子称为可变淋巴细胞受体VLRs(Variable lym-phocyte receptors)。目前VLRs分为3类,分别是VLRA、VLRB、VLRC,而VLRB由七鳃鳗类B淋巴细胞产生,是其体液免疫中主要成分,与IgM结构和功能类似。文章对日本七鳃鳗VLRB基因保守的C末端进行克隆、原核表达和重组蛋白纯化后,免疫Balb/c小鼠,通过细胞融合及间接酶联免疫吸附实验(Enzyme-linked immu-nosorbent assay,ELISA)筛选技术得到针对VLRB保守区的单克隆抗体细胞株。将杂交瘤细胞接种小鼠腹腔得到大量的单抗腹水,经Protein G亲和纯化后的单抗进行ELISA与Western blotting检测。经ELISA检测抗体效价为1:40000。Western blotting结果显示该单克隆抗体能够特异的检测重组VLRB蛋白及七鳃鳗血清中分泌型VLRB。流式细胞实验证明该单抗能特异识别七鳃鳗类淋巴细胞表面表达的膜型VLRB。VLRB单克隆抗体的成功制备和建株,为研究日本七鳃鳗基于VLR的适应性免疫系统提供了重要的工具。     

“首届七鳃鳗免疫系统研究国际会议”在辽宁师范大学胜利召开“

正2016年9月19~21日,"首届七鳃鳗免疫系统研究国际会议"在辽宁省大连市召开。本次会议主办方为辽宁师范大学七鳃鳗研究中心。会议主题为"七鳃鳗适应性免疫系统发育和进化研究"。会议邀请到包括国际著名免疫学家、美国科学院院士Max D.Cooper教授,北京中医药大学校长徐安龙教授在内的来自美国、德国、加拿大、俄罗斯、日本的12位从事七鳃鳗免疫系统研究的顶级科学家,以及多名从事比较免疫研究的国内知名学者。辽     

东北七鳃鳗肠道应答气单胞菌免疫刺激相关蛋白的鉴定

动物肠道中寄生的微生物与宿主的营养、免疫及防御功能密切相关。本研究在东北七鳃鳗肠道中分离获得一株优势细菌,并鉴定为气单胞菌属（Aeromonads sp.）。建立了荧光定量PCR快速检测气单胞菌拷贝数的方法,经poly(I∶C)刺激后,气单胞菌数量下降115倍。因此,该肠道气单胞菌被认为是七鳃鳗肠道适应性免疫系统进化的关键菌群之一。为了进一步分析气单胞菌对东北七鳃鳗肠道适应性免疫影响的分子机制,将分离菌株腹腔注射七鳃鳗,利用双向电泳技术鉴定了七鳃鳗肠道应答气单胞菌免疫刺激的相关蛋白。共鉴定19个差异表达蛋白质,其中12个蛋白质表达上调,5个蛋白质表达下调,1个蛋白质刺激后消失,1个新增蛋白质,并对蛋白质功能进行分类。七鳃鳗肠道应答气单胞菌免疫刺激的差异表达蛋白分别参与了七鳃鳗适应性免疫调控、信号转导及能量代谢等。该研究可拓宽对七鳃鳗免疫研究的途径,为深入探讨适应性免疫系统发育提供理论基础和新的研究思路。     

海七鳃鳗(Petromyzon marinus)anoctaimin-1蛋白的生物信息学分析

七鳃鳗是现存的最原始的无颌类脊椎动物之一,也是连接无脊椎动物与脊椎动物的重要环节,对生物的起源与进化有很高的研究价值。anoctamin-1蛋白(ANO1)是一种重要的跨膜蛋白,与细胞内阴离子的跨膜运输相关。以海七鳃鳗为例,利用不同软件对海七鳃鳗ANO1蛋白的理化性质、结构域、蛋白结构特征、物种进化保守性以及系统进化关系进行生物信息学分析表明:海七鳃鳗ANO1的开放阅读框为2 373 bp,编码791个氨基酸,属于anoctamin蛋白家族,具有7个跨膜区;二级结构含有无规则卷曲、α螺旋和β折叠。将海七鳃鳗与其他物种的ANO1氨基酸序列进行同源比对,并构建系统进化树,以确认海七鳃鳗ANO1基因的保守性和进化地位。对ANO1基因及蛋白的生物信息学分析为ANO1基因及蛋白的相关研究提供了重要的信息基础。     

七鳃鳗Lja-SHP2分子鉴定、重组表达及免疫学研究

高等脊椎动物的蛋白酪氨酸磷酸酶SHP2(SH2 domain-containing protein-tyrosine phosphatase-2)由ptpn11基因编码,催化酪氨酸残基去磷酸化,与其他能催化酪氨酸磷酸化的蛋白酪氨酸激酶共同调节机体内多种信号通路的信号传导。以往研究表明,SHP2在高等脊椎动物T细胞和B细胞的激活与信号转导过程中起着重要作用。为了研究无颌类脊椎动物日本七鳃鳗(Lampetra japonica)中与SHP2同源的分子——Lja-SHP2在免疫应答反应中的作用,本研究通过PCR扩增获取其Lja-SHP2开放阅读框序列,并构建到原核表达载体pET-32a中,成功在大肠杆菌中实现重组蛋白表达并制备了其兔源多克隆抗体。用混合菌免疫刺激日本七鳃鳗后,通过实时荧光定量PCR和免疫印迹方法检测了Lja-SHP2在日本七鳃鳗免疫相关组织中mRNA和蛋白水平表达谱。结果显示,混合菌免疫刺激后,Lja-SHP2 mRNA和蛋白表达在外周血白细胞和髓样小体中无显著变化,而在鳃组织中显著性上调(P<0.05),说明Lja-SHP2在混合菌刺激后主要参与了鳃组织的免疫应答反应。为了进一步探究Lja-SHP2与淋巴细胞亚群免疫应答反应的相关性,本研究分别使用B细胞有丝分裂原脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)和T细胞的有丝分裂原植物凝集素(phytohemagglutinin,PHA)免疫刺激日本七鳃鳗。经LPS免疫刺激后,与对照组相比,白细胞中Lja-SHP2蛋白表达显著上调,鳃组织和髓样小体没有显著性差异表达;但经PHA免疫刺激后,与对照组相比,白细胞、鳃组织和髓样小体3种组织中Lja-SHP2均有上调,尤其在白细胞中上调最为显著,大约是对照组的2.5倍,说明Lja-SHP2参与了日本七鳃鳗由PHA介导的免疫应答反应。由于PHA能刺激日本七鳃鳗鳃组织中VLRA+淋巴细胞的活化,这表明Lja-SHP2可能参与了PHA介导的VLRA+淋巴细胞亚群的免疫应答反应。上述研究结果为进一步探索Lja-SHP2在七鳃鳗免疫应答过程中的功能奠定了基础,也为揭示SHP2分子家族的系统发生及探索高等脊椎动物适应性免疫系统的早期发生及其进化历程提供一定的线索。     

棘皮动物免疫学研究进展

棘皮动物属原始后口动物、无脊椎动物的最高等类群,它处于由无脊椎动物向脊椎动物开始分支进化的阶段．研究棘皮动物的免疫功能和作用机理,对从比较免疫学角度探讨动物免疫系统进化过程有承前启后的重要意义．因此,有必要对棘皮动物的免疫学研究进展作一个较全面的综述,并理清未来的研究热点和方向．棘皮动物与其他无脊椎动物一样具有先天性免疫系统,但未发现脊椎动物所具有的获得性免疫．其免疫应答是由参与免疫反应的效应细胞——体腔细胞和多种体液免疫因子共同介导的．比较免疫学分析表明,棘皮动物存在脊椎动物补体系统的替代途径和凝集素途径,但未发现经典途径和明确的终端途径．棘皮动物先天性免疫系统存在数量庞大的基因家族．今后应加强对未知免疫相关基因、蛋白质、信号传导途径及效应分子的研究,回答免疫系统的起源、功能和进化等问题．     

七鳃鳗化石研究取得重要进展

<正>2014年10月28日《美国科学院院刊》刊发了中科院古脊椎动物与古人类研究所张弥曼等研究人员的最新成果:《早白垩世七鳃鳗幼体化石的发现揭示其三阶段的生命周期》。张弥曼等人的新发现,不仅首次记录了化石七鳃鳗的幼体和变态期幼体特征,而且显示现代七鳃鳗独特的三期生命史早在距今1.25亿年前的早白垩世晚期即已成型并保持至今。七鳃鳗和盲鳗是仅存的现生无颌类脊椎动物。地质历史上,无颌类在古生代曾经十分繁     

文昌鱼抗金葡菌感染差减文库的构建及免疫相关基因分析

适应性免疫的起源一直是免疫学研究的关键问题.文昌鱼被认为是最接近于脊椎动物的祖先 自从被发现以来一直是研究脊椎动物起源与进化机制的经典模式动物.为了在文昌鱼中寻找适应性免疫系统的分子证据,采用金黄色葡萄球菌感染文昌鱼以调查免疫的起源.应用抑制性差减杂交(SSH)技术,通过对差减文库克隆序列的测定,共获得588个表达序列标签(EST).对这些EST进行生物信息学分析和进一步功能分类,发现了一些免疫上调基因,如免疫调控基因、凋亡相关基因、细胞黏附相关基因、转录相关基因、信号传导相关基因等,以及一些非免疫相关基因;这些基因在文昌鱼中绝大多数为首次报道.金黄色葡萄球菌差减文库的成功构建,为调查文昌鱼抗细菌感染的分子事件提供了重要线索,对于这些新发现基因的进一步研究将有助于深入了解免疫系统起源与进化的机制.     

试论颌的起源与演化

以动物进化为主线,论述了颌的起源和由无颌脊椎动物到颌口类颌的演化过程,并对颌的结构及其它鳃弓的演化进行了概述。     

七鳃鳗KCTD基因家族成员全基因组鉴定及进化分析

钾离子通道四聚化结构域(KCTD)蛋白基因家族是一个保守的基因家族,该家族成员的共同特征是具有一个含有BTB保守结构域的N-末端和一个可变的C-末端。KCTD基因的突变或不正常调控与人类多种疾病相关。七鳃鳗是现存最原始的脊椎动物,作为联系无脊椎动物和脊椎动物之间的桥梁,在生物进化研究中占有重要地位。本研究通过对海七鳃鳗(Petromyzon marinus)和日本七鳃鳗(Lethenteron japonicum)基因组和转录组数据分析,全面系统地鉴定了海七鳃鳗和日本七鳃鳗KCTD基因家族成员,并对其基因结构特征、蛋白保守基序和基因表达模式进行了分析。在海七鳃鳗和日本七鳃鳗中分别鉴定出13个和14个KCTD基因,基因长度和外显子数目在不同KCTD基因间变化很大,KCTD蛋白中4个基序保守性显著,大多数KCTD基因呈泛表达模式,并且在胚胎发育时期明显高表达。除七鳃鳗外,对12个无脊椎动物和脊椎动物代表物种KCTD基因家族成员进行了鉴定,并对KCTD基因家族成员的进化关系进行了分析。根据进化树聚类情况,将KCTD基因家族成员分为11个亚家族。进化分析结果显示,KCTD基因家族从低等的无脊椎动物线虫和果蝇到高等的人类都存在;线虫中仅有5个成员,果蝇中有8个成员,随着物种进化程度由低到高,KCTD家族成员数目呈现增加的趋势;从爬行类开始,脊椎动物KCTD基因数目稳定在24个左右。硬骨鱼类特有的全基因组复制事件影响鱼类KCTD基因数目。本研究结果不仅丰富了七鳃鳗KCTD基因家族信息,同时也对KCTD家族基因间的进化关系进行了探究,为深入研究该家族基因功能提供了一定的依据。