本文摘要：摘要：主要組織相容性復(fù)合體(MHC)存在于所有高等脊椎動(dòng)物的基因組中，表現(xiàn)為高度多態(tài)和多基因的特性。MHC在免疫應(yīng)答和病毒抵御上發(fā)揮著重要作用，不同家禽的MHC結(jié)構(gòu)差異一定程度上可以解釋其抗病性的差異。本文對(duì)近年來在雞、鵪鶉、火雞、鴨、鵝和其他幾種禽
摘要：主要組織相容性復(fù)合體(MHC)存在于所有高等脊椎動(dòng)物的基因組中，表現(xiàn)為高度多態(tài)和多基因的特性。MHC在免疫應(yīng)答和病毒抵御上發(fā)揮著重要作用，不同家禽的MHC結(jié)構(gòu)差異一定程度上可以解釋其抗病性的差異。本文對(duì)近年來在雞、鵪鶉、火雞、鴨、鵝和其他幾種禽類MHC結(jié)構(gòu)研究方面的進(jìn)展進(jìn)行綜述，對(duì)不同家禽MHC結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，有利于了解不同家禽品種間的遺傳關(guān)系，促進(jìn)家禽抗病育種的研究。
關(guān)鍵詞：家禽;主要組織相容性復(fù)合體;結(jié)構(gòu)
主要組織相容性復(fù)合體(MajorHistocompatibilityComplex，MHC)是由多個(gè)基因組成的基因家族,可以編碼與免疫應(yīng)答相關(guān)的蛋白質(zhì)[1-2]。MHC具有高度多態(tài)性、連鎖不平衡、單倍型遺傳的特點(diǎn)，在免疫中主要起到抗原呈遞的作用。家禽MHC的提出最早可追溯到1948年Briles研究母雞的溶血性疾病實(shí)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)將雞血型系統(tǒng)用字母“D”來表示，1950年改用字母“B”來表示[3-5]。1961年，Schierman等[2]正式將雞的B復(fù)合體定義為MHC。在家禽中除了有MHCclassI和MHCclassII，還具有禽類特有的MHCclassIV，它們在雞上分別被命名為BF、BL和BG。因?yàn)镸HCclassIV基因只在禽類中出現(xiàn)，所以這類MHC基因引起較大關(guān)注，被認(rèn)為在家禽抗病免疫方面起著重要的作用[6-7]。20世紀(jì)90年代開始，MHC區(qū)域的基因組研究開始轉(zhuǎn)向其他家禽和野生鳥類，但目前都相對(duì)滯后于在雞上的研究。因此，本研究通過介紹比較雞和其他幾種禽類MHC結(jié)構(gòu)，了解不同物種MHC結(jié)構(gòu)研究的歷史和現(xiàn)狀，通過結(jié)構(gòu)差異理解禽類間的遺傳關(guān)系以及抗病性能的差異，有利于抗病育種和禽病免疫的研究。
1雞(Gallusgallus)MHC的結(jié)構(gòu)
1977年P(guān)ink等[8]定義了雞MHC的3個(gè)基因座：B-F、B-L和B-G。B-F和B-L基因座之間物理距離較近但不會(huì)發(fā)生重組，B-G與B-F、B-L卻存在著0.05%的重組率[9-11]。這種極低重組率的特性使研究者通常將MHC作為一個(gè)遺傳單位來進(jìn)行研究，即單倍型遺傳。
1988年，Guillemot[12]通過克隆測得了雞MHC區(qū)域的部分序列，測得總長320kb，包含5個(gè)BLB基因和6個(gè)BF基因，該研究根據(jù)測序信息繪制了雞的第一份MHC基因草圖。1999年，92kb的BF/BL區(qū)域被測序，共包含有19個(gè)基因，其中編碼基因包括2個(gè)Iα類基因(BFI、BF2)和2個(gè)IIβ類基因(BLB1、BLB2)，其他分別為B30.1、B-BTN1、B30.2、B-BTN2、Leu-tRNA、Tapasin、RING3、DMA、DMB1、DMB2、TAP1、TAP2、C4(complement4)以及CENP-A(histoneH3、B-H3)[1]。MHC-I類基因中，BF2高度表達(dá)，BF1低度表達(dá)，某些單倍型中BF2表達(dá)量甚至是BF1的10倍[13-14]，BF1位于BMB2和TAP1之間，BF2位于TAP2與C4基因之間，BF1與BF2的轉(zhuǎn)錄方向相反[15]，但均由8個(gè)外顯子和7個(gè)內(nèi)含子組成，以上研究結(jié)果表明BF/BL區(qū)域簡單緊湊，內(nèi)含子相對(duì)較小(大多數(shù)哺乳動(dòng)物MHC的10%)。與哺乳動(dòng)物MHC的不同之處在于，雞BF/BL區(qū)域存在許多對(duì)應(yīng)基因的缺失，以及多出一些哺乳動(dòng)物中未發(fā)現(xiàn)的基因，比如LMP、PSMB8以及PSMB9缺失，Blec1、Blec2和單個(gè)BG基因的存在[1]。
Shiina等[16]對(duì)3個(gè)紅色原雞的BAC文庫進(jìn)行了克隆，最終得到242kb的MHC序列，包含有46個(gè)基因。新發(fā)現(xiàn)的MHC序列延伸了來自于92kb的MHC-B圖譜，在92kb中發(fā)現(xiàn)了1個(gè)新基因，在其上游和下游各發(fā)現(xiàn)了21個(gè)和5個(gè)基因。另外，BG基因被發(fā)現(xiàn)于延伸區(qū)域的上游，包含有多個(gè)拷貝。Salomonsen等[7]同樣發(fā)現(xiàn)了在TRIM基因與Blec基因的上游存在12個(gè)BG基因的分布，其中BG2和BG3距離這2個(gè)基因較近，該研究也證明了不同MHC-B的單倍型，BG基因的數(shù)目不同，說明雞MHC存在拷貝數(shù)變異。
1993年，雞上報(bào)道了另一個(gè)遺傳獨(dú)立的MHC區(qū)域，并將其命名為Rfp-Y[17]。在這一發(fā)現(xiàn)后不久，2個(gè)MHCI類、2個(gè)MHCII類基因和1個(gè)最初分配給MHC-B的c型凝集素樣基因被重新分配到MHC-Y[18-19]。Rogers等[20]研究發(fā)現(xiàn)了MHC-Y的2個(gè)Ylec基因，1個(gè)完整的YF基因，1個(gè)截短的YLB基因以及區(qū)域內(nèi)的CR1重復(fù)。目前認(rèn)為的遺傳獨(dú)立的基因簇MHC-Y含有2個(gè)YF(YFV和YFVI)，3個(gè)YLB基因(YLBIII、YLBIV和YLBV)和2個(gè)Ylec基因[15]。
雞共有39對(duì)染色體[21]，其中有30對(duì)是小染色體，富含基因[22-23]。早在1985年就確定了雞的MHC區(qū)域位于第16號(hào)小染色體(GGA16)[24]，后人進(jìn)一步確定MHC-B、MHC-Y作為2個(gè)獨(dú)立的區(qū)域位于GGA16上，并由保守的核仁組織區(qū)(NOR)分開[12,25]。Delany等[26]通過熒光原位雜交以及胞質(zhì)基因分析法確定了紅色原雞16號(hào)微染色體的基因結(jié)構(gòu)，糾正了前人所指出的MHC-B和MHC-Y分居于NOR兩側(cè)的結(jié)構(gòu)性錯(cuò)誤，證明了分開2個(gè)區(qū)域的是一段高GC含量區(qū)，即PO41重復(fù)[27]。16號(hào)微染色體總長約10~15Mb，基因結(jié)構(gòu)順序從中心粒近端到遠(yuǎn)端依次為NOR、MHC-Y、G+Crich、MHC-B、CD1基因群，都位于GGA16的q臂上[28]。
2鵪鶉(Coturnixjaponica)MHC的結(jié)構(gòu)
日本鵪鶉MHC結(jié)構(gòu)在2004年由Shiina等[29]進(jìn)行了比較詳盡的研究，其單倍型1跨越了180kb的基因組區(qū)域，由BG8延伸至CENP-A，共編碼41個(gè)基因，相當(dāng)于每4.4kb1個(gè)基因，其基因密度略高于雞BF/BL區(qū)域(92kb內(nèi)有19個(gè)基因)。在這41個(gè)基因當(dāng)中，有15個(gè)確定會(huì)表達(dá)的基因，包括6個(gè)IIB基因，4個(gè)I類基因以及TAPBPL、RING3、TAP1、TAP2和C4;剩余的26個(gè)基因則根據(jù)其基因結(jié)構(gòu)的完整性被分為“可能表達(dá)的基因”和“假基因”，分別有12個(gè)和14個(gè)。除了假基因和RING3外，其余26個(gè)基因的編碼產(chǎn)物都會(huì)在免疫過程中發(fā)揮功能。另外，相比于雞BF/BL區(qū)域存在5個(gè)CR1，32個(gè)簡單重復(fù)，鵪鶉180kb區(qū)域內(nèi)包含1個(gè)CR1，17個(gè)長末端重復(fù)序列(LTRs)，2個(gè)微衛(wèi)星重復(fù)以及37個(gè)簡單重復(fù)。
Shiina的研究通過MHC序列獨(dú)立證明了不同禽類的進(jìn)化關(guān)系[29]。鵪鶉與雞I類基因構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)化樹證明了鵪鶉I類基因內(nèi)的關(guān)系要比2個(gè)物種間I類基因的關(guān)系更加密切，也進(jìn)一步說明鵪鶉MHCI類基因是在共同祖先分化形成鵪鶉和雞2個(gè)物種后才形成的。進(jìn)一步地，在對(duì)鵪鶉MHC-II的系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹分析中得到了同樣的結(jié)果。
3火雞(Meleagrisgallopavo)MHC的結(jié)構(gòu)
火雞與雞的分化時(shí)間較晚，大約在距今5000萬年前兩者分化為獨(dú)立的物種[30]，因此兩者在基因組水平上具有高度的相似性，這種相似性在MHC結(jié)構(gòu)上更能夠體現(xiàn)出來。
Chaves等[31]得到了197kb的火雞B基因座，該基因座與雞的MHC-B區(qū)域是同線性的，共包含有34個(gè)基因(從TRIM7.2到TAP1)。將197kb的火雞B基因座同雞170kb的B基因座比對(duì)，同源性達(dá)95%，另外與雞MHC-B的高GC含量(55.5%)相似，火雞該區(qū)域的GC含量也偏高(53.6%)。相比于雞，火雞MHC-B具有以下特點(diǎn)：①整個(gè)區(qū)域內(nèi)包含12個(gè)CR1長末端重復(fù)序列、30個(gè)簡單序列重復(fù)序列和3個(gè)復(fù)雜的重復(fù)，其中出現(xiàn)的大的C/T五聚體重復(fù)(300bp)在雞上是沒有的;②多出了3個(gè)基因，分別是2個(gè)BG基因和1個(gè)classIIB基因。Bauer等[32]擴(kuò)展了火雞的MHC-B，在新擴(kuò)展的40kb區(qū)域內(nèi)包括：3個(gè)BG基因(BG4、BG5和一個(gè)不完整的BG6)、KIFC、Blec3、Bzfp3以及TRIM的外顯子末端。延伸后的基因座與雞240kbMHC-B是線性同源的。
Reed等[33]證明了火雞也有獨(dú)立的MHC-B和MHC-Y，且都位于18號(hào)微染色體上(MGA18)。目前火雞上已經(jīng)鑒定出2個(gè)遺傳上獨(dú)立的MHC-Y，且在基因組成上跟雞的MHC-Y不是直接同源的[33-34]。
4鴨(Anasplatyrhynchos)MHC的結(jié)構(gòu)
Xia等[35]通過特定引物克隆出了鴨MHCI區(qū)域，并對(duì)其進(jìn)行測序，最終得到了2.5kb的基因組序列，共編碼344~355個(gè)氨基酸，包含有7個(gè)外顯子和8個(gè)內(nèi)含子。有趣地是，相比于雞的MHC-I，鴨MHCI類序列更接近于人的MHCI序列。鴨MHCI包括有5個(gè)基因：UAA、UBA、UCA、UDA和UEA，只有UAA高表達(dá)，UEA低表達(dá)，其余則不表達(dá)。這種單個(gè)MHCI類基因的偏向表達(dá)模式只在少數(shù)幾種家禽中才出現(xiàn)，比如雞的BF1高表達(dá)，BF2低表達(dá)[1]。Mesa等[36]證明鴨UAA基因位于TAP2一側(cè)，而且MHCI基因的表達(dá)與TAP有關(guān)，這種表達(dá)模式能夠促進(jìn)抗體對(duì)MHCI限制性CTL抗原簇的識(shí)別，達(dá)到對(duì)病毒的抵御效果[37]。Fleming等[38]擴(kuò)增了綠頭鴨MHCI區(qū)域，在38只鴨中得到了61個(gè)獨(dú)有的等位基因，證明了MHCI的等位基因具有高度多態(tài)性。
對(duì)于鴨MHCII的研究開始相對(duì)較晚。Ren等[39]通過對(duì)北京鴨BAC文庫克隆測序得到了MHCIIα鏈的序列，該序列全長1431bp，編碼255個(gè)氨基酸，包括4個(gè)編碼信號(hào)多態(tài)的外顯子和1個(gè)肽結(jié)合α1區(qū)、免疫球蛋白樣的α2區(qū)域、酸性的連結(jié)肽、疏水的跨膜區(qū)和1個(gè)較短的胞漿區(qū)尾巴。同樣，該研究的BAC測序發(fā)現(xiàn)了緊鄰α基因的5個(gè)IIβ基因(IIb1-IIb5)。與雞、鵪鶉和火雞不同的是，鴨臨近α基因的β基因編碼方向相反。同樣，鴨MHC-IIα基因與人HLA-DRA的同源性(57.4%)也要高于和雞的同源性(56.7%)。
5鵝(Ansercygnoides)MHC的結(jié)構(gòu)
目前，對(duì)于鵝MHC結(jié)構(gòu)的研究較少，尚處于起步階段。Xia等[40]克隆了鵝的MHCI(Ancy-MHCI)，該cDNA全長999bp，共編碼333個(gè)氨基酸，其對(duì)應(yīng)的基因組MHCI區(qū)域全長為2489bp，其中內(nèi)含子長度為
1490bp，該內(nèi)含子長度與鴨極為相似(1486bp)，但和雞(1015bp)差異較大，該區(qū)域鴨與鵝氨基酸同源性(80.0%~85.5%)也要明顯高于雞和鵝的(59.8%~66.0%)，以上結(jié)果均證明了鴨與鵝有更近的親緣關(guān)系。
Li等[41]擴(kuò)增出了Ancy-MHCIIB的cDNA，共有2條序列，長度分別為780bp和783bp，分別編碼成熟蛋白質(zhì)的259、260個(gè)氨基酸，由6個(gè)外顯子和5個(gè)內(nèi)含子組成，內(nèi)含子長度超過雞，這與MHCI的研究一致。以上研究的進(jìn)化樹結(jié)果表明，與來自于其他物種已知MHCIIB類序列相比，鵝、鷸和鴨聚集在了一起，而與雞、哺乳動(dòng)物和魚類分開，這與人們對(duì)進(jìn)化的認(rèn)知基本一致[41]。
6其他幾種禽類MHC的結(jié)構(gòu)
Chen等[42]通過傳統(tǒng)的BAC克隆得到了3段朱鹮MHC序列，分別為265、85、150kb，其中265kb的序列對(duì)應(yīng)BG區(qū)域，包含有從Blec3到zfp1的26個(gè)基因;85kb與150kb的區(qū)域?yàn)榇嬖?個(gè)gap的核心區(qū)，該區(qū)域包含MHCI、MHCII類基因和其他基因共28個(gè)。Chang等[43]利用二代測序得到了3條朱鹮MHC序列，總共對(duì)應(yīng)488kb區(qū)域，包含50個(gè)基因。Chen還發(fā)現(xiàn)，相比于雞MHC-B，朱鹮多出COLL11A2和ADPRH等基因，另外有更多的Blec和BF拷貝。
黑琴雞(Tetraotetrix)為松雞科琴雞屬鳥類，其MHC-B全長88390bp，包含19個(gè)基因，其中有2個(gè)I類基因、2個(gè)II類基因以及1個(gè)IV類基因，與雞的該區(qū)域表現(xiàn)為極高的同線性[44]。
紅腹錦雞(Chrysolophuspictus)是中國特有的品種，4DBAC文庫測序得到了97kb的MHC-B包含20個(gè)基因[45]。紅腹錦雞的MHCIIB和NK基因數(shù)量與雞相比差異顯著，另外還有TAPBP基因和TAP1-TAP2區(qū)域的倒位等差異。
7小結(jié)
目前對(duì)于家禽MHC的研究主要集中在2個(gè)方面：一是通過不同家禽乃至哺乳動(dòng)物的對(duì)應(yīng)基因的數(shù)據(jù)確定物種之間的進(jìn)化與親緣關(guān)系;二是研究各類MHC分子及其編碼蛋白在免疫應(yīng)答中的作用。對(duì)MHC結(jié)構(gòu)的揭示是這兩項(xiàng)研究的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。本文詳細(xì)介紹了近幾十年來在幾種家禽上關(guān)于MHC結(jié)構(gòu)的研究，其中在雞上的相關(guān)研究最為詳盡，確定了MHC定位于GGA16，并揭示了整個(gè)微染色體的結(jié)構(gòu)與基因的排列順序。鴨與鵝的研究相對(duì)較少，目前還未能進(jìn)行染色體定位，也無法確定完整的MHC序列結(jié)構(gòu)。雞MHCI、MHCII類基因都是雙拷貝的，其中與TAP2相鄰的MHCII類基因表現(xiàn)為少見的偏向表達(dá)模式，鴨、鵝、火雞和鵪鶉都具有多個(gè)拷貝的MHCI、MHCII類基因，只有在鴨中表現(xiàn)為與雞相似的偏向表達(dá)模式。這種單個(gè)拷貝基因的高表達(dá)模式引起了很多研究者的注意，被認(rèn)為是由TAP2基因引起的，與抗病性有很大關(guān)系。鳥類MHC基因拷貝數(shù)的差異可能是由于它們在生活中細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外病原體暴露的差異導(dǎo)致的，不同單倍體對(duì)疾病的抗性存在明顯差異[46]。
MHC結(jié)構(gòu)與家禽的多種傳染病相關(guān)，不同的MHC基因在抗病免疫中所起的作用不同，但目前對(duì)于大多數(shù)家禽MHC結(jié)構(gòu)的研究還很不完善。一方面，因?yàn)殡p拷貝基因干擾性的存在，以及MHC區(qū)域高GC含量、插入缺失過多的特殊性質(zhì)，導(dǎo)致部分序列難以獲得;另一方面，通過構(gòu)建克隆的方法得到的目的基因序列長度有限，無法得到完整的MHC序列。隨著未來三代測序技術(shù)的出現(xiàn)、基因組研究水平的提高以及分析手段的豐富，MHC基因排列順序與結(jié)構(gòu)會(huì)被逐步揭示。
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