不同種屬動物MHC基因研究概況

劉乃芝 趙云蛟 林 攀

【摘要】 主要組織相容性復合體(Major histocompatibility complex,MHC)是由染色體上一系列緊密連鎖的基因位點組成的高度多態性基因群,在脊椎動物體內普遍存在。其編碼產物為免疫球蛋白樣受體。MHC與免疫功能密切相關,能夠控制同種移植排斥反應、應答免疫以及調節免疫等。本文依據進化過程,概述了不同種屬動物(軟骨魚類、真骨魚類、兩棲類、家禽、常見哺乳動物及野生動物等)的MHC基因研究進展,以及MHC基因類型與抗病性和繁殖性能之間的關系等,同時文章還綜述了MHC基因研究的意義與實際應用。

【關鍵詞】 MHC基因 遺傳特性 研究意義

基金項目:教育部第41批博士后基金(資助編號20070410999);吉林農業大學校內博士啟動基金

MHC基因編碼主要組織相容性抗原,并且控制同種移植排斥反應、免疫應答和免疫調節等。MHC的基因產物稱為MHC抗原或MHC分子,是由MHC編碼的一類細胞表面轉膜蛋白,能夠對各種外源抗原進行識別,因此,不同個體抗寄生蟲能力以及對自身免疫疾病易感性的差異均受MHC遺傳背景的影響。MHC基因一般具有高度的多態性,其多態性水平的降低可能導致種群內個體對突發性傳染性病原體的抵抗力減弱,種群抗病能力單一及生存力和生產力下降等。許多物種的遺傳多樣性水平、進化歷史和種群動態,以及種群遺傳結構等信息,可以通過對MHC的遺傳變異分析得到,因此有關動物MHC的研究正逐步地引起越來越多的動物學家的興趣,成為目前研究的熱點。

1.MHC分子的遺傳特性

各種動物MHC之間具有一定的同源性,如囊翼蝠與大熊貓的同源性為91%,這表明該遺傳結構在群體演化和進化中可能有相似作用。MHC分子還具有單體型遺傳特點,在遺傳過程中MHC單體型作為一個完整的遺傳單位由親代傳給子代。其中基因之間有一定的交換和重組。此外,MHC分子還具有廣泛的多態性和特異性,主要是由于復等位基因、共顯性、基因突變和選擇壓力所致,其中復等位基因是直接的遺傳因素。MHC復合體各等位基因均有各自的基因頻率。MHC的基因座是緊密連鎖的,但其各基因并非完全隨機的組成單體型,某些基因比其他基因能更多或更少地連鎖在一起,從而出現連鎖不平衡。它與某些疾病的易感性有關(AnderssonL,1986b)。

2.MHC的研究概況

根據MHC基因編碼產物的結構、表達方式、組織分布與功能的不同,將其分為Ⅰ類基因、Ⅱ類基因和Ⅲ類基因,但各種動物的命名各不相同。自1990年,從一些冷血動物中得到了MHC基因,以后又依次從軟骨魚類,真骨魚類,兩棲類中分離出Ⅰ、Ⅱ類基因。有關MHC的研究在高等動物中也非常活躍。一是出于經濟目的,期望通過對畜禽MHC的改造提高其生存力和生產力;二是針對人類器官移植中供體的缺乏,期望對動物MHC的人源化使動物器官能夠移植給人類;三是源于對野生動物尤其是瀕危動物的保護,以維持生態平衡;另外,隨著研究的深入,人類有可能真正了解MHC的起源和進化,并為研究其在生物醫學中的應用起到促進作用。

2.1軟骨魚類MHC

軟骨魚類MHC的研究以鯊魚(sharks)為代表。鯊魚中有經典和非經典Ⅰ類基因以及RING3、LPM2、HSP70、TAP1、TAP2、Bf等基因。鯊魚對同種移植物只有慢性排斥反應,而沒有像其他真骨魚及高等脊椎動物那樣的急性排斥反應。鯊魚MHCⅠ類分子有許多共性,而且Ⅰ類基因的CDNA顯示多態性,變異位點多位于肽結合區。

2.2真骨魚類MHC

以斑馬魚(zebrafish)為代表的真骨魚的MHC與人類HLA主要有以下幾點不同:①Ⅰ類A基因和Ⅱ類A、B基因不在同一個連鎖群;②Ⅱ類基因能在兩個或以上的不相連位點編碼;③在19號連鎖群中有兩個緊密相關的Ⅰ類A基因與LMP7、LMP2、TAP2、RING3、RXRB相關;④沒有Ⅲ類基因與MHC其他基因相關的證據。

2.3兩棲類MHC

以爪蟾為代表,只含有一個經典Ⅰ類基因。而且肽結合區與胞膜區不連接。其他基因(如Ⅱ、Ⅲ類基因、TAP、LMP等)也存在。但基因定位研究表明,三類基因的排列順序從中心粒開始依次是Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ,而不是人類那樣Ⅱ、Ⅲ、Ⅰ順序(Flajnik MF et al,1999)。

2.4家禽的MHC

根據MHC分子編碼蛋白的類型,把家禽MHC分子分為三類:B-F、B-L、B-G。其中的B-F和B-L分別相當于哺乳動物的Ⅰ類和Ⅱ類基因,而B-G是禽類特有的基因位點,也稱為Ⅳ類(ClassⅣ)。隨著生物技術的發展,雞的MHC的B-F、B-L、B-G分別被克隆,其中的B-F、B-L部分已被測序。Briles等(1950)首次發現雞的血細胞表面抗原是由MHC(B復合物)基因編碼。Guillemot(1988)首次對雞MHC I類分子的cDNA進行了克隆。

2.5常見哺乳類MHC

哺乳類動物MHC的組成基本上與人類HLA相似,但不同的動物又稍有不同。在人醫研究中,HLA分型已經應用于器官移植和骨髓移植,靈長類MHC基因的研究資料非常豐富,在這里暫不做詳盡論述。

2.5.1牛的MHC(BoLA)

牛的MHC位于第23號染色體上(Fries R et al,1986)。1978年Amorena等首次對牛的MHC基因進行了報道,并將其命名為BoLA。目前在classⅠ基因區域只發現含有一個編碼α鏈的BoLA-A基因位點。它與HLAⅠ類基因的大小相似,其功能是編碼Ⅰ類抗原的α鏈。ClassⅡ類甚因是由編碼Ⅱ類抗原α鏈的DA基因和編碼β鏈的DB基因組成。DA基因包括DRA、DQA、DNA、DMA和DYA等。DR基因含有DRA、DRB₁、DRB₂、DRB₃等四個基因座位,其中DRA是高度表達的基因座位,DRB₁是假基因,DRB₂的表達量非常低或者根本不表達,DRB₃是個高效表達的基因座位。DQ基因為可復制基因,至少含有DQA₁、DQA₂、DQB₁、和DQB₂等四個基因座位,均為高效表達。DB基因包括DYA、DYB、DNA、DOB、DMA、DMB、DIB、TAP₁、LMP₂和LMP₇等。

2.5.2綿羊的MHC(OLA)

綿羊的OLA位于20號染色體上(Anills M et al,1996)。綿羊MHC Class Ⅱ基因區域與人的相似,包括DQ和DR兩個亞區,其中的DRB和DQB兩個基因位點所編碼的MHC抗原在其免疫系統中發揮著最主要的作用;其第二外顯子編碼抗原的功能區(抗原結合區)具有豐富的多態性,它組成Ⅱ類抗原分子功能最重要的部分。現在已經知道了14個綿羊的MHC classⅡ位點,其中DRB₁,DRA₁,DQA₁,DQB₁,DQA₂和DQB₂六個是可以轉錄的。

2.5.3鹿的MHC

鹿科動物MHC基因的結構,也分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類基因,其中Ⅱ類基因多態性最為豐富,每個亞區包括DR、DQ等基因座,每個基因有多個不同等位基因通過對馬鹿MHC的DRB基因的克隆及其第二外顯子的測序,發現實驗動物中每頭鹿有1—4個DRB序列,第二外顯子區域的α螺旋和β片層處還常出現變異,這些可以作為進化歷史的標志。

2.6野生動物的MHC

近年來對揚子鱷、大熊貓、云豹、豹、東北虎等瀕危野生動物的MHC的研究有了新的成果。而作為2003年中國和亞洲地區爆發的SARS病毒引起的傳染病的宿主——蝙蝠,其MHC也正在逐步進入動物學家的研究視野。

史燕等利用一對簡并引物對揚子鱷MHCⅡ類B基因第2外元的部分片段進行擴增,發現揚子鱷MHCⅡ類B基因第2外元有較高的多態性,有利于揚子鱷飼養種群的遺傳保護。

張婷等研究了大熊貓DQB和DRA基因。將大熊貓的8種DRA基因序列與貓和狗的DRA基因的同源序列進行比較,結果發現,與狗相比,大熊貓與貓的序列親緣關系更近。

王倩等使用一對簡并引物擴增了云豹(Necfelis nebulosa)、豹(Panthera pardus)和東北虎(Panthera tigris altaica)等3種貓科動物MHCⅡDRB基因第二外顯子的片段,結果顯示,豹和東北虎的親緣關系較近,而兩者與云豹的親緣關系較遠。

馬躍等(2006)分析了,感染禽流感病毒和未感染禽流感病毒的虎的MHCⅠ類基因的多態性及其與感染禽流感病毒易感性的關系,表明MHCⅠ類基因遺傳多樣性低,對病毒性疾病比較敏感,而低頻等位基因在繁殖過程中容易丟失,進而可能加劇病毒性疾病的敏感性。由此可見,在遺傳管理中特別要重視低頻等位基因的保存。

蝙蝠MHC基因的研究目前還不是特別深入。Mayer等(2007)首次在翼手目中研究MHC基因,其研究參照人類的MHC基因(HLA)設計引物,對囊翼蝠(sac-winged bat Saccopteryx bilineata)MHCⅡ類基因DRB1第二外顯子進行PCR擴增克隆,85個囊翼蝠個體檢測到11個等位基因,但該研究未涉及蝙蝠MHC基因與疾病的關系,蝙蝠MHC基因結構特點、蝙蝠種群MHC基因多態性與疾病的關系還有待進一步研究。

3.MHC與疾病病因、免疫的相關性及其研究意義

MHC的研究具有非常重要的意義。一方面,它與畜禽疾病的抗病性和易感性以及生產性能等密切相關,可以通過遺傳標記輔助選擇進行抗病育種,以培育出高產、抗病力強的畜禽品種。另一方面,通過對MHC基因的測序工作,找到相應疾病的易感基因或抵抗基因,從而可能預防和治療這些自身免疫性疾病。

對于野生動物尤其是瀕危動物而言,將其作為一種遺傳標記用于種群遺傳結構和變異性的分析,進行保護遺傳學研究,已成為近年來研究的熱點和新的增長點。MHC的變異可反映基因組水平的變異,通過對MHC基因的變異進行分析,可有效地評估種群遺傳多樣性水平。同時,MHC的變異性水平被認為是生物體識別外來寄生物(細菌、病毒、原生動物及其他寄生蟲和噬菌體)能力的重要依據,這樣可以為病毒傳播機制的研究提供宿主特異性方面的直接證據。同時還可以為野生動物傳染病傳播預警提供科學依據,指導野生動物傳染病的防治和免疫。

【參考文獻】

[1]AnderssonL(1986b)Genomic hybridization of bovine class ⅡMHC genes:2. Extensive polymorphisms of DQA and DQB genes. Animal Genetis, 17,95-112.

[2]Anills M,Francino O(1996) A PCR - RFLP tyimal method for the Caprine MHC class I DRB gene. Veterinary Immunology and Immunopathology, 55,255-260.

[3]Briles W E (1950)On multiple alleles effecting cellular antigens in the chicken. Genetics, 35,633-652.

[4]Flajnik MF,Ohta Y, Yamada CN (1999) Immunol Rev, 167,59.

[5]Fries R,Hediger R,Stranzinger G(1986) Tentati-ve chromosomal localization of bovinemajorhiatocompatibility complex by in situ hybridization.Anim Genet, 17(4),287-294.

[6]Guillemot F, Billault A ,Pourquie O (1988) the class II beta genes are closely linked to the class I genes and the nucleolar organizer. A molecular map of the chicken major histocompatibility complex. Embo J, 7,2775-2785.

[7]Lewin H A, Russell GC, Glass EJ(1999)Comparative organization And functionof the major histocompatibility complex of domesticated cattle. Immunology Review, 167,145-158.

[8]Ma Y(馬躍) ,Zhang W(張偉) ,Xu YC(徐艷春)(2006)Research on relationship betweenMHC gene polymorphism and susceptibility of influenza in panthera tigris. Northeast Forestry University

[9]Mayer F,Brunner A(2007) Non-neutral evolution of the major histocompatibility complex class II gene DRB1 in the sacwinged bat Saccopteryx bilineata.Hereditics 99(3),257-264.

[10]Swarbrick P A , Schwaiger F W, Epplen J T (1995) Cloning and sequencing of expressed DRB genes of the red deer ( Cervus elaphus)Mhc.Immunogenetics , 42(1) ,129.

[11]Swarbrick P A,Crawford A M (1997) The red deer ( Cervus elaphus)contains two expressed major histocompatibility complex class Ⅱ DQB genes. Anim Genet,28 (1),49-51.

[12]Takahata N, Nei M(1990) Allelic genealogy under overdominant and frequency-depe- ndent selection and polymorphism of major histocompatibility complex loci.Genetics,124,967-978.

劉乃芝 (1982-),女,碩士研究生。

趙云蛟 (1970-),女,博士后,副教授,碩士研究生導師。研究方向:動物分子免疫學和保護生物學。