IL17R(SEFIR)與TLR(TIR)信號(hào)通路成員的比較基因組學(xué)及其起源進(jìn)化分析.pdf

1、固有免疫(innateimmunity)是指機(jī)體在種系發(fā)生和進(jìn)化過(guò)程中逐漸形成的一種天然免疫防御功能，構(gòu)成機(jī)體抵御病原生物入侵的第一道防線。Toll樣受體(TLR)與白介素1受體(ILlR)是參與固有免疫的重要成員，它們共同擁有一個(gè)高度保守的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域，稱為Toll/IL1receptor結(jié)構(gòu)域，即TIR結(jié)構(gòu)域。TIR結(jié)構(gòu)域是一段由200個(gè)左右氨基酸組成的保守序列，其中又可分為3個(gè)保守的Box。眾多含TIR結(jié)構(gòu)域的基因在固有免疫及獲得性

2、免疫中起著非常重要的作用。含TIR結(jié)構(gòu)域的蛋白分布極為廣泛，在原核生物、真核生物和病毒中都有發(fā)現(xiàn)。后來(lái)，在TIR結(jié)構(gòu)域的基礎(chǔ)上鑒定了一類類似于TIR結(jié)構(gòu)域的新結(jié)構(gòu)域，即SEF/IL-17R(SEFIR)結(jié)構(gòu)域。SEFIR結(jié)構(gòu)域的功能形式跟TIR結(jié)構(gòu)域很相似，也是形成二聚體(TIR-TIR/SEFIR-SEFIR)。含SEFIR結(jié)構(gòu)域的基因也被證實(shí)在固有和獲得性免疫中同樣起著重要的作用。在本文中我們所研究的對(duì)象是含TIR結(jié)構(gòu)域的3個(gè)接頭蛋

3、白(TIRAP，TICAM-1和TICAM-2)與TLR和含SEFIR結(jié)構(gòu)域的IL17R、IL17R接頭蛋白(CIKS/ACT1/TRAF3IP2)和原核中的SEFIR蛋白。大部分研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表，其主要成果如下:
　　 1.IL17R的研究集中在脊索動(dòng)物中，我們發(fā)現(xiàn)雖然在高等哺乳動(dòng)物中已報(bào)道有5種IL17R亞家族，但是在脊椎動(dòng)物祖先頭索動(dòng)物中只有二種IL17R亞家族(IL17RA和IL17RD)，隨后在早期脊椎動(dòng)物中迅速擴(kuò)增到

4、5類(IL17RA-IL17RE)。在脊椎動(dòng)物的進(jìn)化中IL17RA和IL17D相對(duì)保守，而剩余的IL17RB/C/E家族不同程度的發(fā)生丟失。通過(guò)比較基因組的分析，我們?cè)诒Ｊ氐腎L17RA和IL17RD亞家族中鑒定了一些潛在的功能位點(diǎn)，并且預(yù)測(cè)了它們的功能，例如我們定義的IL17RD的C末端新功能域CPD(C-terminusPhosphorylationDomain)。我們?cè)诩棺祫?dòng)物中鑒定出了一類缺少SEFIR結(jié)構(gòu)域卻又類似于IL17R

5、E的基因，將這些基因命名為IL17REL。通過(guò)我們較為深入的研究把IL17REL定義為IL17R的第6大家族，IL17REL亞家族?；贗L17REL的蛋白特點(diǎn)，我們推測(cè)IL17REL具有負(fù)調(diào)控IL17R信號(hào)通路的作用，所以具有潛在治療自身性免疫疾病的功能。
　　 2.CIKS/ACT1/TRAF3IP2是一類含有SEFIR結(jié)構(gòu)域的胞內(nèi)蛋白。這個(gè)蛋白通過(guò)與IL17R和CD40/BAFF結(jié)合在炎癥反應(yīng)和自身免疫性疾病中起了重要的作

6、用。我們研究發(fā)現(xiàn)雖然線蟲和海膽中有IL17和IL17R的同源基因，但是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其接頭蛋白CIKS。我們?cè)谖牟~及蝸牛中發(fā)現(xiàn)了一類原始的CIKS，這種CIKS除了包含像哺乳動(dòng)物那樣的SEFIR結(jié)構(gòu)域外，還包含一個(gè)DEATH結(jié)構(gòu)域，非常類似于MyD88，我們將其命名為CIKSL。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這個(gè)CIKSL經(jīng)過(guò)串聯(lián)復(fù)制和結(jié)構(gòu)域丟失的過(guò)程進(jìn)化成了脊椎動(dòng)物早期的CIKS基因。通過(guò)進(jìn)化分析，我們發(fā)現(xiàn)在脊椎動(dòng)物中存在兩類CIKS，一類是人源CIK

7、S的直系同源基因，另一類是旁系同源基因。我們?cè)谇鄭u文昌魚中進(jìn)行的mRNA半定量表達(dá)實(shí)驗(yàn)暗示古老的CIKS聯(lián)合IL17可能參與了免疫反應(yīng)，這個(gè)功能在脊索動(dòng)物中可能是保守的。隨著基因組的復(fù)制，當(dāng)越來(lái)越多的相關(guān)基因出現(xiàn)之后，CIKS也相應(yīng)的進(jìn)化出了多樣化的功能。
　　 3.為了探索SEFIR結(jié)構(gòu)域的起源問(wèn)題，以便加深我們對(duì)IL17R和CIKS(都含有SEFIR結(jié)構(gòu)域)起源進(jìn)化的理解，我們?cè)?400種原核生物基因組中進(jìn)行了分析。在這些基

8、因組中，只發(fā)現(xiàn)了84個(gè)含SEFIR結(jié)構(gòu)域的蛋白。我們發(fā)現(xiàn)這84個(gè)結(jié)構(gòu)域可能是通過(guò)水平轉(zhuǎn)移從真核生物CIKS到了原核生物。由于這些原核生物的SEEIR結(jié)構(gòu)域大多是以單一形式存在于各自的原核物種中，所以無(wú)法完成SEFIR-SEFIR的結(jié)合，這暗示其功能可能是與其它物種的SEFIR結(jié)合。通過(guò)對(duì)病原菌性質(zhì)及SEFIR結(jié)構(gòu)域的空間結(jié)構(gòu)和電荷分析，我們發(fā)現(xiàn)病原菌的SEFIR結(jié)構(gòu)域有潛在干擾IL17R信號(hào)通路的作用。如果真是如此，那不但提拱了一條治療

9、病原菌感染的新思路，而且可能為治療IL17R信號(hào)通路引起的自身免疫疾病提供一種思路。
　　 4.結(jié)構(gòu)域的重組對(duì)含有多結(jié)構(gòu)域的蛋白的進(jìn)化是十分重要的，也是塑造免疫系統(tǒng)的重要步驟。Toll/TLR在免疫系統(tǒng)中起著重要的作用，它們是由胞內(nèi)的TIR結(jié)構(gòu)域和胞外的LRR結(jié)構(gòu)域組成的。迄今為止，關(guān)于Toll/TLR研究已經(jīng)很多，但是沒(méi)有結(jié)構(gòu)域組合這方面的研究。我們分析了這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域組合的歷程。我們的研究發(fā)現(xiàn)在非對(duì)稱動(dòng)物海綿動(dòng)物中已經(jīng)出現(xiàn)了T

10、IR-only蛋白和LRR-only蛋白，到了刺胞動(dòng)物門已經(jīng)出現(xiàn)了原始的P-Toll，并且在刺胞動(dòng)物中已經(jīng)出現(xiàn)了原始的V-TIR-only蛋白。直到對(duì)稱動(dòng)物與非對(duì)稱動(dòng)物分歧之后V-TLR才開始出現(xiàn)，在原口動(dòng)物門和后口動(dòng)物門中廣泛分布。在脊椎動(dòng)物出現(xiàn)之前，V-TLR可能又經(jīng)歷了一次結(jié)構(gòu)域的重排，并最終導(dǎo)致了脊椎動(dòng)物的TLR的出現(xiàn)。人工合成蛋白在很多治療領(lǐng)域發(fā)揮作用，本部分從結(jié)構(gòu)域重排的角度描繪了TLR進(jìn)化的歷程，為將來(lái)可能的人工Toll/

11、TLR基因重排提供線索。
　　 5.通過(guò)在25個(gè)已測(cè)序的后生動(dòng)物物種基因組中的鑒定，我們發(fā)現(xiàn)最早的TIRAP和TICAM起源于脊索動(dòng)物頭索動(dòng)物;而唯一的非哺乳類TICAM-2存在于鯊魚基因組中。通過(guò)結(jié)構(gòu)及序列的比較發(fā)現(xiàn)這些新鑒定的基因與人相應(yīng)的同源基因相比既有共同點(diǎn)，又有不同之處。這些功能位點(diǎn)的變化沒(méi)有影響TICAM-1基本的功能，但是可能影響了TIRAP的功能。另外我們還發(fā)現(xiàn)TIR-TIR結(jié)構(gòu)域之間的結(jié)合更傾向于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的結(jié)合方

12、式。最后，結(jié)合3種接頭蛋白相關(guān)的基因，我們推測(cè)了接頭蛋白與其功能之間的起源關(guān)系:病毒-TLR3/22-TICAM-1、革蘭氏陰性菌-TLR4-TICAM-2和革蘭氏陽(yáng)性菌-TLR2-TIRAP。此項(xiàng)研究理順了3種接頭蛋白的進(jìn)化歷程，有助于理解脊椎動(dòng)物TLR信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化。
　　 以上關(guān)于IL17R和TLR信號(hào)通路成員的進(jìn)化比較基因組學(xué)的研究一方面理清了他們的進(jìn)化的歷程，為這些基因功能的研究提供了線索，另一方面推測(cè)了宿主免疫系統(tǒng)與