哺乳动物MHC、TCR和Ig基因家族进化及其与生态位适应的关系探究

发布时间：2020-04-24 11:06

【摘要】：各种各样的病原微生物(细菌、真菌和病毒等)对机体的生长、发育和繁殖等过程造成潜在威胁。免疫系统是机体防御病原微生物入侵的有效武器,主要包括先天性免疫(innate immunity)与适应性免疫(adaptive immunity)。相对于先天免疫,适应性免疫反应一般在微生物等抗原物质刺激后诱发,并能与该抗原起特异性反应。其中,主要组织相容性复合体(major histocompatibility complex,MHC)作为抗原提呈分子参与适应性免疫应答,主要识别经树突细胞或巨噬细胞等处理后的抗原,并提呈给T细胞抗原受体(T cell receptor,TCR)激活T细胞以启动细胞免疫,最终释放细胞因子消灭抗原或者致使被感染细胞发生裂解。另外,免疫球蛋白(Immunoglobulin,Ig)是适应性免疫中另一类重要的作用分子,介导体液免疫,可直接与游离抗原特异性结合以发挥免疫效应。在哺乳动物进化过程中,不同进化谱系具有不同生境、食性以及集群行为等。其中,鲸类是一类特化的水生哺乳动物,其陆生祖先从陆地重返海洋,这种特殊的进化历史为研究生境转换、食性转变引起的免疫适应机制提供理想模型。然而,是否这些生态因子的不同引起病原微生物差异,从而驱动不同哺乳动物进化谱系免疫系统的适应尚不清楚。因此,本研究以适应性免疫基因MHC、TCR和Ig基因家族为候选基因,从鲸类MHC与TCR的基因组结构,家族成员系统发生关系探究为基础,拓展到哺乳动物TCR和Ig基因数目进化及分子进化速率与生态因子(生境、食性与集群行为等)的相关性研究,以期揭示驱动TCR和Ig进化的主要生态因子并系统地为免疫基因家族在不同生态位下的进化机制提供分子遗传基础。MHC基因家族(包括I、II和III类基因)是目前发现的脊椎动物基因组中多态性最高的一类基因群。其中,MHC II类基因在种间具有较高同源性,且其主要负责识别与提呈外源性抗原,包括各种非己成分,如细菌产生的毒素。因此,MHC II类基因的进化更能反应机体对外界环境的免疫防御能力。为了探究鲸类生境转变过程中其MHC II类基因的进化模式,本研究对7种鲸类代表性物种的基因组扫描10个MHC II类基因座位(DRA、DRB、DQA、DQB、DPA、DPB、DOA、DOB、DMA和DMB),共鉴定了76条基因序列。在10个基因座位中,DPA座位在鲸类中已经丢失,而DPB座位在7种鲸类中均只保留了部分编码片段,剩余的8个座位在鲸类中保留完整基因序列,除了DRB为多拷贝(2-4个拷贝)外,其余均为单拷贝。这些成功鉴定的基因座位在鲸类中的基因排布与其陆生近缘物种牛和羊相似,均表现为MHC IIa和IIb两个亚区域。然而,部分座位(DQA、DQB与DRB)的基因拷贝数与陆生动物存在差异,比如DRB在鲸类中为2-4个拷贝,但在陆生物种中为3-6个拷贝。将多拷贝座位DRB的序列进行系统发育重建,DRB1与DRB2支系位于拓扑最内部且仅含有鲸类序列,推测这两个基因是鲸类与偶蹄类分化后在适应水生生活过程中复制产生的新基因,这可能是受水生环境独特病原体驱动的结果。其中2/5的DRB2转变为假基因,1/2的DRB1在小须鲸中新复制产生。以上拓扑结构提示鲸偶蹄类DRB基因进化模式符合“生灭模型”(birth-and-death model)。在细胞免疫反应链中,TCR位于MHC下游,结合由MHC提呈的抗原激活T细胞进而产生免疫反应。根据肽链组成不同,TCR分为αβTCR和γδTCR,前者结合MHC提呈的抗原,后者可直接结合原始抗原。因此,γδTCR编码基因(TRG和TRD基因)的遗传进化更能反应鲸类生境转变过程中的免疫适应。我们在8种代表性鲸类基因组扫描TRG和TRD的所有胚系基因,包括可变区基因(variable,V)、连接区基因(joining,J)、多样性基因(diversity,D)和恒定区基因(constant,C),共成功鉴定158条基因序列。其中TRG基因共有72条完整基因序列,包括38个TRGV、26个TRGJ和8个TRGC基因。此外,TRGC基因还鉴定到5个单独的外显子片段。TRD基因共有86个完整基因,包括31个TRDV、22个TRDD、25个TRDJ和8个TRDC基因。与牛和羊类似,鲸类TRG和TRD基因的基因组结构分别呈V-J-C和V-D-J-C-V排布。系统发育重建提示鲸类TRG和TRD基因的分化早于其与偶蹄类的分化。运用系统发生相关性分析(Phylogenetic generalized least squares,PGLS)进一步探究鲸偶蹄目物种TRGV和TRDV基因数目进化与生境的关系,结果表明TRGV基因和TRDV基因数目与生境存在显著相关性(TRGV:R~2=0.398,p=0.007;TRDV:R~2=0.427,p=0.004)。为了进一步探讨是否整个哺乳动物谱系TCR基因数目进化受环境因子影响,我们选取37种代表性哺乳动物,探究TCR恒定区基因(TRC:TRAC、TRBC、TRGC和TRDC)和可变区基因(TRV:TRAV、TRBV、TRGV和TRDV)的进化与3种生态因子(生境、食性和集群行为)之间的关系。首先运用系统发育方差分析(phyANOVA)对TRC数目在3种生态因子的不同组间比较,结果表明TRC基因数目在4种生境分组(半水生、水生、陆生、飞行)间存在显著差异(p=0.030),这种差异主要由TRGC基因数目在水生与半水生组间的显著差异(水生组vs.半水生组:1.5560 vs.5.400,p=0.006)以及飞行与半水生组间的显著差异(飞行组vs.半水生组:1.21 vs.5.400,p=0.006)引起。并且,生境越复杂的哺乳动物(如半水生生境的物种),比仅占有一种生境的物种(如水生或陆生物种)倾向于拥有更多的TRGC数目。类似地,PGLS分析结果提示TRGC数目与生境存在显著相关性(R~2=0.304,p0.001)。以上结果表明哺乳动物TRC数目进化显著受生境影响。分子进化分析结果表明TRAC和TRDC基因进化速率(ω)在特定生态位类群中存在相反的趋势:以生境为例,TRAC:ω_(水生)ω_(飞行)ω_(陆生)ω_(半水生);TRDC:ω_(半水生)ω_(陆生)ω_(飞行)ω_(水生)。以上结果提示,不同哺乳动物TRC基因免疫适应的策略可能主要是在增加TRGC基因家族数目与调谐TRAC和TRDC基因分子进化速率之间保持权衡。类似地,在3种生态因子(生境、食性与集群行为)中,TRV基因数目在生境与食性两种生态因子不同组间存在显著差异(p0.05)。其中,TRAV基因数目在不同生境组间具有显著差异(p=0.027),主要由水生组与陆生组间显著差异引起(水生组vs.陆生组:16.250 vs.64.222,p=0.030)。然而,TRBV数目在不同食性组间具有显著差异(p=0.011),该差异表现在食肉组与食草组之间(食肉组vs.食草组:11.167 vs.42.400,p=0.010)。PGLS结果进一步揭示TRAV和TRBV数目与生境、食性显著相关(R~20.13,p0.05)。以上结果提示生境与食性转变引起的病原微生物差异影响TRAV与TRBV数目改变。αβT细胞为大部分物种体内最主要的T细胞群,主要介导细胞免疫、辅助体液免疫及参与免疫调节。本研究中,αβTCR的V基因(TRAV和TRBV)数目在生境和食性组间的差异以及相关性表明二者的数目进化受到生境与食性影响,同时也提示αβTCR在不同生境与食性哺乳动物免疫适应中的关键作用。另一方面,TRGV的基因数目不仅在群居与独居物种间差异显著(p=0.001),并且该数目与集群行为具有显著相关性(R~20.160,p0.050)。此外,TRDV基因数目与生境也显著相关(R~20.130,p0.050)。以上结果表明TRGV和TRDV数目进化受到生境与集群行为二者的影响。尽管大部分哺乳动物外周血中γδT细胞含量较少,但其兼具先天性免疫与适应性免疫特性,在应对感染性疾病,创伤修复以及维持组织稳态方面具有重要作用。本研究中检测到编码γδTCR的TRDV、TRGC和TRGV基因数目分别与生境和集群行为具有显著相关性,提示γδT细胞在不同生境和集群行为哺乳动物免疫适应中占有重要地位。为了进一步探究细胞免疫的抗原受体TCR进化是否受到上游配体MHC的影响,运用PGLS分析哺乳动物MHC与TCR多样性之间的进化关系。结果发现TRAV和TRBV数目与DQB等位基因数目之间均存在显著正相关关系(TRAV~DQB:R~2=0.373,p=0.027;TRBV~DQB:R~2=0.311,p=0.048),提示MHC与TCR存在协同进化。MHC丰富的多态性被部分学者认为是通过病原介导的平衡选择所维持,并且濒危物种通常具有较低的MHC多态性。TCR作为MHC下游受体,其庞大的分子多样性赋予个体对环境中数量众多、易于突变的病原体进行识别和应答的巨大潜力。本研究检测到MHC与TCR的协同进化模式表明机体MHC与TCR在应对环境抗原过程中相互影响,共同促进机体的免疫适应能力。为了进一步系统地探究影响适应性免疫抗原受体数目进化的主要生态因子,我们选取T细胞受体可变区基因家族(TRV)和免疫球蛋白可变区基因家族(IGV)在79种代表性哺乳动物中检测二者的进化与3种生态因子(生境、食性、集群行为)的关系。phyANOVA结果显示,TRAV基因家族数目在不同生境组间具有显著差异(p=0.016),该差异主要由水生与陆生组间差异引起(水生组vs.陆生组:15.889 vs.57.725,p=0.006)。但不同食性组间TRBV基因数目的差异(p=0.006)主要表现为食肉与食草组间显著差异(食肉组vs.食草组:13.350 vs.35.230,p=0.010)。此外,PGLS分析检测到TRDV基因家族数目与生境之间存在微弱相关性(R~2=0.050,p=0.047)。另一方面,IGV基因数目与生态位之间并没有检测到显著的相关性(p0.05),提示IGV进化可能受其他生态因子影响或者存在其他的进化模式,比如通过不同胚系基因排列多样化以及免疫球蛋白亚型多样性以产生免疫适应,尚需进一步深入研究。综上,生境与食性是影响哺乳动物抗原受体数目进化的主要生态因子。生境与食性差异带来的病原差异驱动抗原受体进化产生免疫适应,使机体能够应对多变环境中的病原微生物。综上,本论文以鲸类MHC与TCR家族基因组结构探究为基础,揭示哺乳动物MHC与TCR基因组结构在进化过程中比较保守。TRC基因数目进化受到生境影响,而TRV基因数目进化则受到生境与食性的共同影响。不同进化谱系哺乳动物TRC免疫适应的策略为权衡TRGC和TRAV基因数目与TRAC正选择强度以及平衡TRAC和TRDC基因进化速率。此外,TCR与MHC的协同进化提示二者在应对环境抗原过程中相互影响,共同促进机体的免疫适应能力。本研究为哺乳动物对不同环境的免疫适应提供了系统的分子基础,为深入理解适应性免疫基因家族进化提供了新的思路。
【图文】：

后口动物,免疫系统,全基因组,鱼纲

3.1 后口动物中免疫系统进化概览（该图引自[13]）。1R 和 2R 表示两轮全基因组鳍鱼纲的祖先在约 3.2 亿年前被认为经历了一次额外的、支系特异的全基因组复re 1.1 Overview of the evolution of the immune system in deuterostomes (source:[13]dicate the two rounds of whole-genome duplication (WGD).An ancestor of the majofinned fish is thought to have experienced an additional, lineage-specific WGD (desi3R) ~320 million years ago.

等位基因,基因,多态性,相对性状

图 1.2 MHC I 类和 II 类分子结构示意图（该图引自[2Figure 1.2 Structural schematic of class I and class II MHC moleculHC 多态性C 多态性主要源于其经典基因的大量等位基因（allele）数于一对同源染色体的相同位置上控制相对性状的一对基因，中的变异。通常情况下，每个个体的任一个座位均含有两个和母亲。若这些等位基因均能表达，则称为共显性（co-do机婚配使得来自父母的两条第 6 号染色体上所有 HLA 基因使得 HLA 成为人体中多态性最丰富的系统。MHC 的丰富以适应多变的内外环境，，保证种群能够作出应对各类病原体体的延续、维持与稳定性。截至 2006 年 7 月，HLA-A、H位基因数分别为 478、805 和 256[21]。II 类基因中，B 基因A-DRA1、HLA-DQA1 和 HLA-DPA1 的等位基因数分别为基因的等位基因分别为 527、73 和 125[16, 21]。
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q953

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