哺乳动物免疫球蛋白基因及其表达机制研究进展.pdf

2023年 第8期收稿日期院 2023-01-03基金项目院 陕西省重点研发计划项目院 家兔品种选育与工厂化繁殖技术集成与示范 渊2018ZDXM-NY-041冤遥作者简介院 陶晓钊 渊1997要冤袁 女袁 山西朔州人袁 研究方向院 动物遗传育种与繁殖袁 E-mail院 遥*通信作者院 王淑辉 渊1978要冤袁 女袁 河北邯郸人袁 副教授袁 硕士生导师袁 主要从事动物遗传育种与繁殖研究袁 E-mail院 wang鄄遥哺乳动物免疫球蛋白基因及其表达机制研究进展陶晓钊袁 薄欣宇袁 段树楠袁 任战军袁 董响贵袁 王淑辉*渊西北农林科技大学动物科技学院袁 陕西咸阳 712100冤摘要院 动物免疫球蛋白的基因序列尧 结构类型尧 功能以及其多样性的机制一直国内外学者关注焦点遥 目前对于免疫球蛋白基因及其多样性表达机制的研究多数是以人类或者小鼠为对象袁 该文将论述猪尧 牛尧 羊尧 骆驼和家兔的免疫球蛋白基因结构及其表达机制袁 探究不同哺乳动物免疫球蛋白基因表达的特点袁 以期为动物免疫方面和抗病育种的研究提供参考遥关键词院 免疫球蛋白曰 哺乳动物曰 多样性曰 VDJ 重组曰 表达机制免疫球蛋白是有颌脊椎动物在体液免疫过程中由B淋巴细胞分泌的关键效应分子袁 用来进行有效的识别和清除抗原遥 在高等脊椎动物中免疫球蛋白重链基因呈 野易位子冶 形式排列袁 其基因座由VH基因片段袁DH基因片段和JH基因片段以及下游的多种不同类型的CH基因线性排列遥C区氨基酸序列稳定袁 用于决定Ig的类型1袁 哺乳动物有5种Ig重链基因院 滋尧 啄尧 酌尧 着 和 琢袁两种轻链基因院 资尧 姿袁 不同重链与轻链组成完整Ig的分子分别称之为IgM尧IgG尧IgA尧IgD和IgE2遥为了应对环境中种类繁多的病原袁 保护机体免受病原体的侵害袁 机体必须产生多样性的抗体来抵御复杂多变的抗原遥 有研究表明袁 人体可以利用有限的基因组针对抗原产生无限多种类的抗原受体3遥 在探究动物免疫球蛋白基因的整个进化过程中袁 研究人员需要解决的关键问题是袁 各种机制如何产生免疫球蛋白V区库袁 以及C区如何多样化以产生遥 免疫球蛋白V区多样性产生机制包括V渊D冤J重组 渊V(D)J recombination冤4尧体细胞超突变 渊Somatic hypermutation袁SHM冤5和基因转换 渊Gene conversion袁GC冤6遥 在过去的几十年里袁 人们对小鼠和人类的免疫球蛋白基因进行了深入的研究袁 我们对抗体多样性产生和其他相关分子机制的理解也获得近一步深入遥 然而袁 在牛中出现的超长的结构袁 兔中发现了编码基因缺失的现象袁 骆驼中发现了仅由重链组成免疫球蛋白7袁 这些是在人类和小鼠的研究中没有发现的袁 说明不同的动物可能会利用不同机制来实现免疫调节遥 因此需要对哺乳动物的免疫球蛋白基因及其多样性机制进行更加深入的探究袁 了解不同动物的免疫机制过程袁 从而清楚其抗病机理袁 为提高其抗病力研究提供一定的参考遥1猪免疫球蛋白基因及其表达机制猪抗体重链和轻链的基因的编码方式与其他遗传育种612023年 第8期正常哺乳动物相同遥 有大约30个基因且其核苷酸相似性大于75%袁 属于同1个基因家族袁2个功能性基因和1个功能性基因袁1460 V资 基因袁5 J资 片段尧1213个功能性基因和两个功能性基因8袁 猪的Ig基因只在区域存在差异遥 在核酸表达水平上袁7个片段袁2个有功能性基因和1个片段共同参与90%以上的重组9,10遥 下游有编码和基因遥 猪基因座的定位显示只有2个功能性和1个功能性袁表明重组对猪的基因库贡献甚微11遥通过研究新生仔猪转录本的分子特征发现袁的连接多样且不对称袁连接比连接贡献更高的多样性遥 阅读框架II的使用频率是框架III的两倍袁的多样性是通过重链不同基因片段的连接引入许多N-核苷酸的插入袁 从而产生不同长度的11,12遥与其他物种不同袁 猪在蛋白质水平上具有平衡的 姿 链和 资 链比率 渊分别为52%和48%冤13遥在其基因座的研究上也发现了相同的比例袁 在两个轻链基因座上都观察到了数量相似的功能性和基因14遥 猪基因座可以鉴定出 22 个基因袁 其中只有 9 个具有功能遥 至于 资 位点袁有一个前面有 5 个 J资 片段袁 虽然可以识别出14 个 V资 基因袁 但其中只有 9 个是功能性的袁 因此与功能性基因的数量相同15遥 由于V基因片段和J基因片段数目有限袁 猪免疫球蛋白轻链V无法同重链一样利用中的连接多样性袁主要利用的是SHM遥SHM可以使有限的免疫基因产生多种的抗体来应对不同的抗原遥SHM主要的作用方式是在V区引入点突变袁 其他方式有使碱基插入或者缺失16遥 研究发现袁SHM多发生在重组区和J基因片段下游内含子处袁 在其他位置发生的频率很低17遥2牛免疫球蛋白基因及其表达机制与人类和小鼠一样袁 牛表达5类 IgH 链院和遥 但与人类中存在的 4 个 IgG 亚类渊和编码冤 和两个 IgA 亚类 渊和编码冤 相比袁 在牛中只发现了三个基因 渊和冤 和一个基因18,19袁 且牛基因的存在直到2002年才得到证实20遥 此前的研究一直认为袁 牛免疫球蛋白重链基因在第21号染色体上21和第11号染色体上22袁 且都具有功能性遥Ma等23通过原位杂交等实验发现袁 所有功能性牛基因位于上袁 并且在上仅存在截短的外显子遥 在某种程度上袁 不同物种蛋白质水平上的 姿/资 比率被认为是基因组中V基因数量最多的链的反映24遥 对牛基因组进行测序和注释袁 牛 资 基因位点紧凑简单袁 可能是因为牛优先使用 姿 链 遥 牛免疫球蛋 白 姿 轻 链恒 定区渊冤 基因的序列分析表明袁 牛免疫球蛋白 姿轻链基因座由四个连接恒定基因重组单元组成袁长度约为20kb遥 重组信号序列的详细检查表明四个连接恒定基因重组单元的RNA剪接位点和编码序列中袁 只有两个基因 渊和冤 具有功能袁 而和似乎是假基因袁 也说明了在这四个基因中袁优先在牛中表达25遥 基于牛基因组分析确定了25个功能性 V姿袁 但只有是 8 个功能性 V资 基因袁 而轻链中袁 牛优先使用 姿 链 渊96%冤26遥除经典的V(D)J重组尧 体细胞超突变和基因转换等抗体多样性产生机制外袁 牛还具有利用超长产生抗体多样性的机制遥 根据编码序列的长度和身份袁 在基因座中鉴定的23个片 段 可 以 分 为9个 亚 组 渊 称 为至冤遥 除了IGHD9的两个成员 渊大小为14nt冤外袁 所有其他功能性片段的长度都超过30nt袁 其中基因 渊149bp冤 最长遥 这些非常遗传育种622023年 第8期长的种系片段在牛中产生异常大的H链长度变异性中起着关键作用27遥 超长基因链是牛抗体多样性产生的一个独特机制遥 牛的超长的区产生机制是通过不同的数量和位置的二硫键作用来获得大量的抗原结合构型28遥3羊免疫球蛋白基因及其表达机制通过Vlambda Vkappa和V渊H冤cDNA克隆的序列分析评估绵羊抗体库袁 尽管在Vkappa链的连接区域发生了有限的多样性29袁 但所有胚系免疫球蛋白链基本上都属于种系结构遥 绵羊有9个片段袁 按照氨基酸序列相似性划分为同一家族30遥 绵羊基因组包含6090个基因袁 分布在至少六个不同的家族中31遥 绵羊在cDNA的区域中发现了显着差异的长度多态性遥 从到的一些cDNA序列相同袁但它们的长度各不相同遥的长度变化不太可能是由某个随机过程产生的32袁 其在所有发育阶段的免疫球蛋白可变区均有表达袁 但是表达的偏好性有所不同袁JH1具有更强的表达偏好性33遥山羊免疫球蛋白轻链重组时对V基因的利用存在偏好性袁 姿 链中主要表达和袁资 链主要表达和34遥 山羊免疫球蛋白基因参与重组的主要是袁和基因片段袁 而N-核苷酸和P-核苷酸的插入是多样性的重要因素35袁 但是重组多样性机制对于构建山羊抗体库的作用的比较小袁SHM在山羊免疫球蛋白重链可变区表达谱多样性中是更为重要的机制36遥 山羊位点存在于7个基因组支架上袁 包含10个袁3个和6个段37遥根据序列相似性将基因分为两个基因家族袁 体细胞超突变引入的点突变是这些表达可变区中存在的主要突变遥 与人和马相比袁融合在山羊V(D)J重组中发生频率更高遥这些结果为山羊免疫球蛋白重链可变区域基因组位点和库多样性提供了不同的见解遥4骆驼免疫球蛋白基因及其表达机制驼科动物是唯一能产生功能性重链抗体的哺乳动物遥 在1990年代初期袁 在骆驼科动物中发现了其免疫系统中存在非常规抗体院 以天然没有轻链的同源二聚体形式存在袁 因此这种抗体被称为仅重链抗体38遥 骆驼科血清同时含有常规杂四聚体抗体和独特的功能性重链抗体 渊冤遥 这些同源二聚体抗体的H链由1个抗原结合结构域VHH渊Variable domain of camelid heavy chain anti-bodies冤 和2个恒定结构域组成遥由于第一恒定结构域的缺失和VHH侧的重塑表面而无法结合轻链袁 这通常与常规抗体中的L链相关遥组成HCAb的遗传元件已被鉴定袁 但这些抗体从其专用基因到抗原特异性和亲和力成熟的真正的抗体的体内生成仍然存在很多的未知机制39遥 在骆驼体内袁 重链抗体和占总的75%袁 且相较于铰链区较长袁 其中重链抗体和由于供体剪接位点的点突变袁 缺少链 渊冤 的第一个恒定结构域遥 将重链抗体的可变区进行分离获得的短肽被称为纳米抗体袁 纳米抗体在疾病免疫机制中发挥重要作用袁 具有一定的研究价值40遥5兔免疫球蛋白免疫球蛋白基因及其表达机制在大多数哺乳动物中袁通常是1种具有1个或多个铰链结构域的三结构域分子袁 有时还有一个开关结构域遥 然而袁 在家兔中袁完全缺失袁 其基因组缺失了编码恒定区的基因序列袁 因此袁 家兔只有四种基因类型41遥基因在其他大多数哺乳动物中以多拷贝和亚型遗传育种632023年 第8期的形式存在袁 而家兔的位点中仅有一个拷贝遥 相反袁 通常其他物种中只有一个基因袁而家兔则有多达13个基因袁 其中10个被检测到能够表达出来42遥 通过测定兔基因座下游13.5 kb基因组DNA的核苷酸序列袁 没有在该区域找到兔子C delta基因座袁 但发现该区域的重复元素密集分布43遥 家兔所有的基因片段的核苷酸序列相似性较大袁 属于一个基因家族44袁在90%的表达谱中都使用片段45尧4个和基因片段46遥兔 资 轻链基因家族的特点是存在两个恒定区渊C冤 基因袁 其中基因编码主要是免疫球蛋白轻链的恒定区袁基因则在家兔中不表达或表达极少47遥 资 轻链存在两种同型形式且其表达水平存在很大差异遥 通常情况下袁的表达水平很高袁 而几乎是沉默的袁 其原因是基因座中缺少3增强子所以出现同种型被优先利用的现象48遥 然而在基因下游约7kb处发现了一个强大的增强子活性区域袁 该区域的序列在兔尧 人和小鼠之间高度保守49遥虽然和基因片段的有限使用会导致重排有限袁 但由于N-核苷酸的插入袁基因重排产生的多样性结果比预期要大得多遥6小结通过对不同哺乳动物免疫球蛋白机理进行分析袁 发现不同物种可能使用不同的机制来实现相似的功能袁 例如院 骆驼科动物只有重链的免疫球蛋白分子结构袁 以及牛利用超长来实现免疫球蛋白的多样性袁 这表明动物免疫球蛋白基因及表达机制具有极高的多样性遥 与人类和小鼠相比袁 上述哺乳动物的免疫球蛋白胚系可变区基因库都相对较小袁 未来的研究还需要完整地探究不同动物的免疫球蛋白基因座以及这些物种中多样化的作用机制袁 以达到了解物种进化历程袁 以及为分子抗病育种提供理论支持遥参考文献院1 Butler J E,Zhao Y,Sinkora M,et al.Immunoglobulins,antibodyrepertoire and B cell developmentJ.Dev Comp Immunol,2009,33(3):321-333.2 Woof J M.Immunoglobulins and their receptors,and subversion oftheir 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