基于全基因组的鮸鱼趋化因子受体基因家族进化研究

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先天性免疫对动物的生存起到至关重要的作用。趋化因子受体(Chem R)作为先天性免疫因子中的重要一员,能够通过与趋化因子结合,启动一系列的细胞内信号转导通路,控制着各种免疫细胞在循环系统和免疫组织器官之间定向迁移,从而参与病原体清除、移植免疫排斥等各种重要的生理病理过程。按照结合的趋化因子不同,可将趋化因子受体分为CXC趋化因子受体(CXCR)、CC趋化因子受体(CCR)、C趋化因子受体(XCR)和CX3C趋化因子受体(CX3CR)四个亚家族。先天性免疫能够识别病原相关分子模式,保护生物体免受外来物质的感染,因此对脊椎动物的生死存亡具有十分重要的意义。本研究基于鮸鱼全基因组及转录组的数据,结合Blast搜索、多序列比对、系统发育分析、共线性分析、分子进化分析等生物信息学手段对鮸鱼基因组中编码的Chem R家族成员进行了全面的鉴定与分析,并分析了在受到哈维氏弧菌(Vibrio harveyi)侵染后,鮸鱼的三个Chem R家族成员CXCR3.2、CXCR5和XCR1在免疫组织肝脏和头肾中的表达水平。获得研究结论如下:1.基于鮸鱼全基因组与转录组数据库,本研究成功地鉴定出了27个Chem R家族成员,并将其归入了三个亚家族(CXCR,CCR和XCR)里,分别包括13个CCRs,11个CXCRs和3个XCRs,并且未在鮸鱼里鉴定到CX3CR亚家族的成员。2.基因结构和定位分析表明,鮸鱼Chem R基因结构比较简单,都含有较少的内含子(≤4),大多数基因含有1-2个外显子,CCR7、CCR11和CCR4Lc有3个外显子,而CXCR4a相对特殊,有4个外显子。鮸鱼Chem Rs不均匀的定位到24条染色体中的12条染色体上,鮸鱼染色体7具有的Chem R数目最多(6个,占22.2%),染色体16、11、17和22分别含有5、4、3和2个Chem R基因家族成员,其他鮸鱼染色体只有一个Chem R基因。3.氨基酸序列结构分析表明,所有鮸鱼趋化因子家族成员都具有七个跨膜的分子结构,包含一个细胞外的氮端、三个胞外环、三个胞内环以及一个胞内的碳端尾部。鮸鱼的CCR和CXCR亚家族在第二个内环上存在一个高度保守的“DRY”基序,而XCR亚家族则没有此基序。此外,在鮸鱼趋化因子受体蛋白的第七个跨膜结构域中还发现了保守的“NPxx Y”基序(在motif 1中),它在G蛋白激活过程中起着不可或缺的作用。MEME分析表明所有的Chem R蛋白都有相似的motif组成。Motif 1、2、3、4、5、6和7存在于每个Chem R蛋白中,motif 8仅在CCR6b和CCR10中缺失,而motif 9在CCR4Lc、CCR6a和CCR10中缺失。4.系统发育和共线性分析表明,趋化因子受体基因家族在物种进化过程中经历了串联和片段复制事件,串联复制可能是主要扩增方式。物种内共线性分析检测到3个基因簇为串联重复基因,占29.6%(8/27),这也是染色体7和16上出现大量Chem R的主要原因。此外,只有一对Chem R基因(CXCR4a和CCRL1b)被鉴定为片段重复基因,而这些存在复制事件的Chem Rs可能在Chem R基因家族进化过程中起到了十分重要的作用。5.选择脊椎动物各直系类群的共有Chem R进行分子进化分析,结果表明在脊椎动物中,硬骨鱼Chem R可能具有较高的进化动态。此外,在脊椎动物Chem R中共检测到21个正向选择的密码子,这些正选择位点主要位于趋化因子受体的细胞外域,这可能会影响其与病原体或者配体之间的结合效率。6.RNA-Seq分析和q RT-PCR验证表明,在哈维氏弧菌感染后,CXCR3.2、CXCR5和XCR1基因在鮸鱼免疫组织中的表达量显著上调。本研究为今后进一步研究趋化因子受体基因家族在鮸鱼免疫过程中的调控机制提供了背景资料,也为开展不同类别动物趋化因子受体基因结构与功能的比较研究打下了良好基础。
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