不同种属动物MHC基因研究概况

刘乃芝 赵云蛟 林 攀

【摘要】 主要组织相容性复合体(Major histocompatibility complex,MHC)是由染色体上一系列紧密连锁的基因位点组成的高度多态性基因群,在脊椎动物体内普遍存在。其编码产物为免疫球蛋白样受体。MHC与免疫功能密切相关,能够控制同种移植排斥反应、应答免疫以及调节免疫等。本文依据进化过程,概述了不同种属动物(软骨鱼类、真骨鱼类、两栖类、家禽、常见哺乳动物及野生动物等)的MHC基因研究进展,以及MHC基因类型与抗病性和繁殖性能之间的关系等,同时文章还综述了MHC基因研究的意义与实际应用。

【关键词】 MHC基因 遗传特性 研究意义

基金项目:教育部第41批博士后基金(资助编号20070410999);吉林农业大学校内博士启动基金

MHC基因编码主要组织相容性抗原,并且控制同种移植排斥反应、免疫应答和免疫调节等。MHC的基因产物称为MHC抗原或MHC分子,是由MHC编码的一类细胞表面转膜蛋白,能够对各种外源抗原进行识别,因此,不同个体抗寄生虫能力以及对自身免疫疾病易感性的差异均受MHC遗传背景的影响。MHC基因一般具有高度的多态性,其多态性水平的降低可能导致种群内个体对突发性传染性病原体的抵抗力减弱,种群抗病能力单一及生存力和生产力下降等。许多物种的遗传多样性水平、进化历史和种群动态,以及种群遗传结构等信息,可以通过对MHC的遗传变异分析得到,因此有关动物MHC的研究正逐步地引起越来越多的动物学家的兴趣,成为目前研究的热点。

1.MHC分子的遗传特性

各种动物MHC之间具有一定的同源性,如囊翼蝠与大熊猫的同源性为91%,这表明该遗传结构在群体演化和进化中可能有相似作用。MHC分子还具有单体型遗传特点,在遗传过程中MHC单体型作为一个完整的遗传单位由亲代传给子代。其中基因之间有一定的交换和重组。此外,MHC分子还具有广泛的多态性和特异性,主要是由于复等位基因、共显性、基因突变和选择压力所致,其中复等位基因是直接的遗传因素。MHC复合体各等位基因均有各自的基因频率。MHC的基因座是紧密连锁的,但其各基因并非完全随机的组成单体型,某些基因比其他基因能更多或更少地连锁在一起,从而出现连锁不平衡。它与某些疾病的易感性有关(AnderssonL,1986b)。

2.MHC的研究概况

根据MHC基因编码产物的结构、表达方式、组织分布与功能的不同,将其分为Ⅰ类基因、Ⅱ类基因和Ⅲ类基因,但各种动物的命名各不相同。自1990年,从一些冷血动物中得到了MHC基因,以后又依次从软骨鱼类,真骨鱼类,两栖类中分离出Ⅰ、Ⅱ类基因。有关MHC的研究在高等动物中也非常活跃。一是出于经济目的,期望通过对畜禽MHC的改造提高其生存力和生产力;二是针对人类器官移植中供体的缺乏,期望对动物MHC的人源化使动物器官能够移植给人类;三是源于对野生动物尤其是濒危动物的保护,以维持生态平衡;另外,随着研究的深入,人类有可能真正了解MHC的起源和进化,并为研究其在生物医学中的应用起到促进作用。

2.1软骨鱼类MHC

软骨鱼类MHC的研究以鲨鱼(sharks)为代表。鲨鱼中有经典和非经典Ⅰ类基因以及RING3、LPM2、HSP70、TAP1、TAP2、Bf等基因。鲨鱼对同种移植物只有慢性排斥反应,而没有像其他真骨鱼及高等脊椎动物那样的急性排斥反应。鲨鱼MHCⅠ类分子有许多共性,而且Ⅰ类基因的CDNA显示多态性,变异位点多位于肽结合区。

2.2真骨鱼类MHC

以斑马鱼(zebrafish)为代表的真骨鱼的MHC与人类HLA主要有以下几点不同:①Ⅰ类A基因和Ⅱ类A、B基因不在同一个连锁群;②Ⅱ类基因能在两个或以上的不相连位点编码;③在19号连锁群中有两个紧密相关的Ⅰ类A基因与LMP7、LMP2、TAP2、RING3、RXRB相关;④没有Ⅲ类基因与MHC其他基因相关的证据。

2.3两栖类MHC

以爪蟾为代表,只含有一个经典Ⅰ类基因。而且肽结合区与胞膜区不连接。其他基因(如Ⅱ、Ⅲ类基因、TAP、LMP等)也存在。但基因定位研究表明,三类基因的排列顺序从中心粒开始依次是Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ,而不是人类那样Ⅱ、Ⅲ、Ⅰ顺序(Flajnik MF et al,1999)。

2.4家禽的MHC

根据MHC分子编码蛋白的类型,把家禽MHC分子分为三类:B-F、B-L、B-G。其中的B-F和B-L分别相当于哺乳动物的Ⅰ类和Ⅱ类基因,而B-G是禽类特有的基因位点,也称为Ⅳ类(ClassⅣ)。随着生物技术的发展,鸡的MHC的B-F、B-L、B-G分别被克隆,其中的B-F、B-L部分已被测序。Briles等(1950)首次发现鸡的血细胞表面抗原是由MHC(B复合物)基因编码。Guillemot(1988)首次对鸡MHC I类分子的cDNA进行了克隆。

2.5常见哺乳类MHC

哺乳类动物MHC的组成基本上与人类HLA相似,但不同的动物又稍有不同。在人医研究中,HLA分型已经应用于器官移植和骨髓移植,灵长类MHC基因的研究资料非常丰富,在这里暂不做详尽论述。

2.5.1牛的MHC(BoLA)

牛的MHC位于第23号染色体上(Fries R et al,1986)。1978年Amorena等首次对牛的MHC基因进行了报道,并将其命名为BoLA。目前在classⅠ基因区域只发现含有一个编码α链的BoLA-A基因位点。它与HLAⅠ类基因的大小相似,其功能是编码Ⅰ类抗原的α链。ClassⅡ类甚因是由编码Ⅱ类抗原α链的DA基因和编码β链的DB基因组成。DA基因包括DRA、DQA、DNA、DMA和DYA等。DR基因含有DRA、DRB₁、DRB₂、DRB₃等四个基因座位,其中DRA是高度表达的基因座位,DRB₁是假基因,DRB₂的表达量非常低或者根本不表达,DRB₃是个高效表达的基因座位。DQ基因为可复制基因,至少含有DQA₁、DQA₂、DQB₁、和DQB₂等四个基因座位,均为高效表达。DB基因包括DYA、DYB、DNA、DOB、DMA、DMB、DIB、TAP₁、LMP₂和LMP₇等。

2.5.2绵羊的MHC(OLA)

绵羊的OLA位于20号染色体上(Anills M et al,1996)。绵羊MHC Class Ⅱ基因区域与人的相似,包括DQ和DR两个亚区,其中的DRB和DQB两个基因位点所编码的MHC抗原在其免疫系统中发挥着最主要的作用;其第二外显子编码抗原的功能区(抗原结合区)具有丰富的多态性,它组成Ⅱ类抗原分子功能最重要的部分。现在已经知道了14个绵羊的MHC classⅡ位点,其中DRB₁,DRA₁,DQA₁,DQB₁,DQA₂和DQB₂六个是可以转录的。

2.5.3鹿的MHC

鹿科动物MHC基因的结构,也分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类基因,其中Ⅱ类基因多态性最为丰富,每个亚区包括DR、DQ等基因座,每个基因有多个不同等位基因通过对马鹿MHC的DRB基因的克隆及其第二外显子的测序,发现实验动物中每头鹿有1—4个DRB序列,第二外显子区域的α螺旋和β片层处还常出现变异,这些可以作为进化历史的标志。

2.6野生动物的MHC

近年来对扬子鳄、大熊猫、云豹、豹、东北虎等濒危野生动物的MHC的研究有了新的成果。而作为2003年中国和亚洲地区爆发的SARS病毒引起的传染病的宿主——蝙蝠,其MHC也正在逐步进入动物学家的研究视野。

史燕等利用一对简并引物对扬子鳄MHCⅡ类B基因第2外元的部分片段进行扩增,发现扬子鳄MHCⅡ类B基因第2外元有较高的多态性,有利于扬子鳄饲养种群的遗传保护。

张婷等研究了大熊猫DQB和DRA基因。将大熊猫的8种DRA基因序列与猫和狗的DRA基因的同源序列进行比较,结果发现,与狗相比,大熊猫与猫的序列亲缘关系更近。

王倩等使用一对简并引物扩增了云豹(Necfelis nebulosa)、豹(Panthera pardus)和东北虎(Panthera tigris altaica)等3种猫科动物MHCⅡDRB基因第二外显子的片段,结果显示,豹和东北虎的亲缘关系较近,而两者与云豹的亲缘关系较远。

马跃等(2006)分析了,感染禽流感病毒和未感染禽流感病毒的虎的MHCⅠ类基因的多态性及其与感染禽流感病毒易感性的关系,表明MHCⅠ类基因遗传多样性低,对病毒性疾病比较敏感,而低频等位基因在繁殖过程中容易丢失,进而可能加剧病毒性疾病的敏感性。由此可见,在遗传管理中特别要重视低频等位基因的保存。

蝙蝠MHC基因的研究目前还不是特别深入。Mayer等(2007)首次在翼手目中研究MHC基因,其研究参照人类的MHC基因(HLA)设计引物,对囊翼蝠(sac-winged bat Saccopteryx bilineata)MHCⅡ类基因DRB1第二外显子进行PCR扩增克隆,85个囊翼蝠个体检测到11个等位基因,但该研究未涉及蝙蝠MHC基因与疾病的关系,蝙蝠MHC基因结构特点、蝙蝠种群MHC基因多态性与疾病的关系还有待进一步研究。

3.MHC与疾病病因、免疫的相关性及其研究意义

MHC的研究具有非常重要的意义。一方面,它与畜禽疾病的抗病性和易感性以及生产性能等密切相关,可以通过遗传标记辅助选择进行抗病育种,以培育出高产、抗病力强的畜禽品种。另一方面,通过对MHC基因的测序工作,找到相应疾病的易感基因或抵抗基因,从而可能预防和治疗这些自身免疫性疾病。

对于野生动物尤其是濒危动物而言,将其作为一种遗传标记用于种群遗传结构和变异性的分析,进行保护遗传学研究,已成为近年来研究的热点和新的增长点。MHC的变异可反映基因组水平的变异,通过对MHC基因的变异进行分析,可有效地评估种群遗传多样性水平。同时,MHC的变异性水平被认为是生物体识别外来寄生物(细菌、病毒、原生动物及其他寄生虫和噬菌体)能力的重要依据,这样可以为病毒传播机制的研究提供宿主特异性方面的直接证据。同时还可以为野生动物传染病传播预警提供科学依据,指导野生动物传染病的防治和免疫。

【参考文献】

[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(马跃) ,Zhang W(张伟) ,Xu YC(徐艳春)(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.

刘乃芝 (1982-),女,硕士研究生。

赵云蛟 (1970-),女,博士后,副教授,硕士研究生导师。研究方向:动物分子免疫学和保护生物学。