家禽主要组织相容性复合体结构的研究进展

谷洪昌，陈 余，王 梁，吕学泽，杨卫芳，张建伟，曲鲁江*

（1.中国农业大学动物科学技术学院，北京100193；2.北京市畜牧总站，北京 100101）

主要组织相容性复合体（Major Histocompatibility Complex，MHC）是由多个基因组成的基因家族,可以编码与免疫应答相关的蛋白质[1-2]。MHC 具有高度多态性、连锁不平衡、单倍型遗传的特点，在免疫中主要起到抗原呈递的作用。家禽MHC 的提出最早可追溯到1948 年Briles 研究母鸡的溶血性疾病实验，当时将鸡血型系统用字母“D”来表示，1950 年改用字母“B”来表示[3-5]。1961 年，Schierman 等[2]正式将鸡的B 复合体定义为MHC。在家禽中除了有MHC class I 和MHC class II，还具有禽类特有的MHC class IV，它们在鸡上分别被命名为BF、BL 和BG。因为MHC class IV 基因只在禽类中出现，所以这类MHC 基因引起较大关注，被认为在家禽抗病免疫方面起着重要的作用[6-7]。20 世纪90 年代开始，MHC 区域的基因组研究开始转向其他家禽和野生鸟类，但目前都相对滞后于在鸡上的研究。因此，本研究通过介绍比较鸡和其他几种禽类MHC 结构，了解不同物种MHC 结构研究的历史和现状，通过结构差异理解禽类间的遗传关系以及抗病性能的差异，有利于抗病育种和禽病免疫的研究。

1 鸡（Gallus gallus）MHC 的结构

1977 年Pink 等[8]定义了鸡MHC 的3 个基因座：B-F、B-L 和B-G。B-F 和B-L 基因座之间物理距离较近但不会发生重组，B-G 与B-F、B-L 却存在着0.05%的重组率[9-11]。这种极低重组率的特性使研究者通常将MHC 作为一个遗传单位来进行研究，即单倍型遗传。

1988 年，Guillemot[12]通过克隆测得了鸡MHC 区域的部分序列，测得总长320 kb，包含5 个BLB 基因和6 个BF 基因，该研究根据测序信息绘制了鸡的第一份MHC 基因草图。1999 年，92 kb 的BF/BL 区域被测序，共包含有19 个基因，其中编码基因包括2 个I α 类基因（BFI、BF2） 和2 个II β 类 基 因（BLB1、BLB2），其 他 分 别 为B30.1、B-BTN1、B30.2、B-BTN2、LeutRNA、Tapasin、RING3、DMA、DMB1、DMB2、TAP1、TAP2、C4（complement 4） 以及CENP-A （histone H3、B-H3）[1]。MHC-I 类基因中，BF2 高度表达，BF1低度表达，某些单倍型中BF2 表达量甚至是BF1 的10倍[13-14]，BF1 位于BMB2 和TAP1 之间，BF2 位于TAP2与C4 基因之间，BF1 与BF2 的转录方向相反[15]，但均由8 个外显子和7 个内含子组成，以上研究结果表明BF/BL 区域简单紧凑，内含子相对较小（大多数哺乳动物MHC 的10%）。与哺乳动物MHC 的不同之处在于，鸡BF/BL 区域存在许多对应基因的缺失，以及多出一些哺乳动物中未发现的基因，比如LMP、PSMB8 以及PSMB9 缺失，Blec1、Blec2 和单个BG 基因的存在[1]。

Shiina 等[16]对3 个红色原鸡的BAC 文库进行了克隆，最终得到242 kb 的MHC 序列，包含有46 个基因。新发现的MHC 序列延伸了来自于92 kb 的MHC-B 图谱，在92 kb 中发现了1 个新基因，在其上游和下游各发现了21 个和5 个基因。另外，BG 基因被发现于延伸区域的上游，包含有多个拷贝。Salomonsen 等[7]同样发现了在TRIM 基因与Blec 基因的上游存在12 个BG基因的分布，其中BG2 和BG3 距离这2 个基因较近，该研究也证明了不同MHC-B 的单倍型，BG 基因的数目不同，说明鸡MHC 存在拷贝数变异。

1993 年，鸡上报道了另一个遗传独立的MHC 区域，并将其命名为Rfp-Y[17]。在这一发现后不久，2 个MHC I 类、2 个MHC II 类基因和1 个最初分配给MHC-B 的c 型凝集素样基因被重新分配到MHC-Y[18-19]。Rogers等[20]研究发现了MHC-Y 的2 个Ylec 基因，1 个完整的YF 基因，1 个截短的YLB 基因以及区域内的CR1 重复。目前认为的遗传独立的基因簇MHC-Y 含有2 个YF（YFV 和YFVI），3 个YLB 基 因 (YLBIII、YLBIV 和YLBV)和2 个Ylec 基因[15]。

鸡共有39 对染色体[21]，其中有30 对是小染色体，富含基因[22-23]。早在1985 年就确定了鸡的MHC 区域位于第16 号小染色体（GGA 16）[24]，后人进一步确定MHC-B、MHC-Y 作为2 个独立的区域位于GGA 16 上，并由保守的核仁组织区（NOR）分开[12,25]。Delany 等[26]通过荧光原位杂交以及胞质基因分析法确定了红色原鸡16 号微染色体的基因结构，纠正了前人所指出的MHC-B 和MHC-Y 分居于NOR 两侧的结构性错误，证明了分开2 个区域的是一段高GC 含量区，即PO41重复[27]。16 号微染色体总长约10～15 Mb，基因结构顺序从中心粒近端到远端依次为NOR、MHC-Y、G+C rich、MHC-B、CD1 基因群，都位于GGA 16 的q 臂上[28]。

2 鹌鹑（Coturnix japonica）MHC 的结构

日本鹌鹑MHC 结构在2004 年由Shiina 等[29]进行了比较详尽的研究，其单倍型1 跨越了180 kb 的基因组区域，由BG8 延伸至CENP-A，共编码41 个基因，相当于每4.4 kb 1 个基因，其基因密度略高于鸡BF/BL区域（92 kb 内有19 个基因）。在这41 个基因当中，有15 个确定会表达的基因，包括6 个IIB 基因，4 个I类基因以及TAPBPL、RING3、TAP1、TAP2 和C4；剩余的26 个基因则根据其基因结构的完整性被分为“可能表达的基因”和“假基因”，分别有12 个和14 个。除了假基因和RING3 外，其余26 个基因的编码产物都会在免疫过程中发挥功能。另外，相比于鸡BF/BL 区域存在5 个CR1，32 个简单重复，鹌鹑180 kb 区域内包含1 个CR1，17 个长末端重复序列（LTRs），2 个微卫星重复以及37 个简单重复。

Shiina 的研究通过MHC 序列独立证明了不同禽类的进化关系[29]。鹌鹑与鸡I 类基因构建的系统进化树证明了鹌鹑I 类基因内的关系要比2 个物种间I 类基因的关系更加密切，也进一步说明鹌鹑MHC I 类基因是在共同祖先分化形成鹌鹑和鸡2 个物种后才形成的。进一步地，在对鹌鹑MHC-II 的系统发育进化树分析中得到了同样的结果。

3 火鸡（Meleagris gallopavo）MHC 的结构

火鸡与鸡的分化时间较晚，大约在距今5 000 万年前两者分化为独立的物种[30]，因此两者在基因组水平上具有高度的相似性，这种相似性在MHC 结构上更能够体现出来。

图1 鸡、鹌鹑和火鸡MHC-B 区域的基因结构对比

Chaves 等[31]得到了197 kb 的火鸡B 基因座，该基因座与鸡的MHC-B 区域是同线性的，共包含有34个基因（从TRIM7.2 到TAP1）。将197 kb 的火鸡B基因座同鸡170 kb 的B 基因座比对，同源性达95%，另外与鸡MHC-B 的高GC 含量（55.5%）相似，火鸡该区域的GC 含量也偏高（53.6%）。相比于鸡，火鸡MHC-B 具有以下特点：①整个区域内包含12 个CR1长末端重复序列、30 个简单序列重复序列和3 个复杂的重复，其中出现的大的C/T 五聚体重复（300 bp）在鸡上是没有的；②多出了3 个基因，分别是2 个BG基因和1 个class II B 基因。Bauer 等[32]扩展了火鸡的MHC-B，在新扩展的40 kb 区域内包括：3 个BG 基因（BG4、BG5 和一个不完整的BG6）、KIFC、Blec3、Bzfp3 以及TRIM 的外显子末端。延伸后的基因座与鸡240 kb MHC-B 是线性同源的。

Reed 等[33]证明了火鸡也有独立的MHC-B 和MHC-Y，且都位于18 号微染色体上（MGA 18）。目前火鸡上已经鉴定出2 个遗传上独立的MHC-Y，且在基因组成上跟鸡的MHC-Y 不是直接同源的[33-34]。

4 鸭（Anas platyrhynchos）MHC 的结构

Xia 等[35]通过特定引物克隆出了鸭MHC I 区域，并对其进行测序，最终得到了2.5 kb 的基因组序列，共编码344～355 个氨基酸，包含有7 个外显子和8 个内含子。有趣地是，相比于鸡的MHC-I，鸭MHC I 类序列更接近于人的MHC I 序列。鸭MHC I 包括有5 个基因：UAA、UBA、UCA、UDA 和UEA，只有UAA 高表达，UEA 低表达，其余则不表达。这种单个MHC I类基因的偏向表达模式只在少数几种家禽中才出现，比如鸡的BF1 高表达，BF2 低表达[1]。Mesa 等[36]证明鸭UAA 基因位于TAP2 一侧，而且MHC I 基因的表达与TAP 有关，这种表达模式能够促进抗体对MHC I 限制性CTL 抗原簇的识别，达到对病毒的抵御效果[37]。Fleming 等[38]扩增了绿头鸭MHC I 区域，在38 只鸭中得到了61 个独有的等位基因，证明了MHC I 的等位基因具有高度多态性。

对于鸭MHC II 的研究开始相对较晚。Ren 等[39]通过对北京鸭BAC 文库克隆测序得到了MHC II α 链的序列，该序列全长1 431 bp，编码255 个氨基酸，包括4 个编码信号多态的外显子和1 个肽结合α1区、免疫球蛋白样的α2区域、酸性的连结肽、疏水的跨膜区和1 个较短的胞浆区尾巴。同样，该研究的BAC 测序发现了紧邻α 基因的5 个IIβ 基因（IIb1-IIb5）。与鸡、鹌鹑和火鸡不同的是，鸭临近α 基因的β 基因编码方向相反。同样，鸭MHC-IIα 基因与人HLA-DRA 的同源性(57.4%)也要高于和鸡的同源性(56.7%)。

5 鹅（Anser cygnoides）MHC 的结构

目前，对于鹅MHC 结构的研究较少，尚处于起步阶段。Xia 等[40]克隆 了 鹅 的MHC I（Ancy-MHC I），该cDNA 全长999 bp，共编码333 个氨基酸，其对应的基因组MHC I 区域全长为2 489 bp，其中内含子长度为1 490 bp，该内含子长度与鸭极为相似（1 486 bp），但和鸡（1 015 bp）差异较大，该区域鸭与鹅氨基酸同源性（80.0%～85.5%）也要明显高于鸡和鹅的（59.8%～66.0%），以上结果均证明了鸭与鹅有更近的亲缘关系。

Li 等[41]扩增出了Ancy-MHC IIB 的cDNA，共有2 条序列，长度分别为780 bp 和783 bp，分别编码成熟蛋白质的259、260 个氨基酸，由6 个外显子和5 个内含子组成，内含子长度超过鸡，这与MHC I 的研究一致。以上研究的进化树结果表明，与来自于其他物种已知MHC IIB 类序列相比，鹅、鹬和鸭聚集在了一起，而与鸡、哺乳动物和鱼类分开，这与人们对进化的认知基本一致[41]。

6 其他几种禽类MHC 的结构

Chen 等[42]通过传统的BAC 克隆得到了3 段朱鹮MHC 序列，分别为265、85、150 kb，其中265 kb 的序列对应BG 区域，包含有从Blec3 到zfp1 的26 个基因；85 kb 与150 kb 的区域为存在1 个gap 的核心区，该区域包含MHC I、MHC II 类基因和其他基因共28 个。Chang 等[43]利用二代测序得到了3 条朱鹮MHC 序列，总共对应488 kb 区域，包含50 个基因。Chen 还发现，相比于鸡MHC-B，朱鹮多出COLL11A2 和ADPRH 等基因，另外有更多的Blec 和BF 拷贝。

黑琴鸡（Tetrao tetrix）为松鸡科琴鸡属鸟类，其MHC-B 全长88 390 bp，包含19 个基因，其中有2 个I 类基因、2 个II 类基因以及1 个IV 类基因，与鸡的该区域表现为极高的同线性[44]。

红腹锦鸡（Chrysolophus pictus）是中国特有的品种，4D BAC 文库测序得到了97 kb 的MHC-B 包含20个基因[45]。红腹锦鸡的MHC IIB 和NK 基因数量与鸡相比差异显著，另外还有TAPBP 基因和TAP1-TAP2区域的倒位等差异。

7 小 结

目前对于家禽MHC 的研究主要集中在2 个方面：一是通过不同家禽乃至哺乳动物的对应基因的数据确定物种之间的进化与亲缘关系；二是研究各类MHC 分子及其编码蛋白在免疫应答中的作用。对MHC 结构的揭示是这两项研究的基础与关键。本文详细介绍了近几十年来在几种家禽上关于MHC 结构的研究，其中在鸡上的相关研究最为详尽，确定了MHC 定位于GGA 16，并揭示了整个微染色体的结构与基因的排列顺序。鸭与鹅的研究相对较少，目前还未能进行染色体定位，也无法确定完整的MHC 序列结构。鸡MHC I、MHC II 类基因都是双拷贝的，其中与TAP2 相邻的MHC II 类基因表现为少见的偏向表达模式，鸭、鹅、火鸡和鹌鹑都具有多个拷贝的MHC I、MHC II 类基因，只有在鸭中表现为与鸡相似的偏向表达模式。这种单个拷贝基因的高表达模式引起了很多研究者的注意，被认为是由TAP2 基因引起的，与抗病性有很大关系。鸟类MHC基因拷贝数的差异可能是由于它们在生活中细胞内和细胞外病原体暴露的差异导致的，不同单倍体对疾病的抗性存在明显差异[46]。

MHC 结构与家禽的多种传染病相关，不同的MHC基因在抗病免疫中所起的作用不同，但目前对于大多数家禽MHC 结构的研究还很不完善。一方面，因为双拷贝基因干扰性的存在，以及MHC 区域高GC 含量、插入缺失过多的特殊性质，导致部分序列难以获得；另一方面，通过构建克隆的方法得到的目的基因序列长度有限，无法得到完整的MHC 序列。随着未来三代测序技术的出现、基因组研究水平的提高以及分析手段的丰富，MHC 基因排列顺序与结构会被逐步揭示。