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天然免疫由于其进化地位以及在宿主防御中发挥重要作用而越来越受到科学家的青睐;昆虫的生境包括栖息环境和食物来源等极为广泛,容易暴露于大量病原体如微生物,原虫,病毒下,却在动物界仍然保持数量和种类的绝对优势,其仅有的天然免疫系统也因此成为一个重要的研究领域。抗菌肽是一类分布广泛,进化上古老而又担负着重要的宿主防御功能的小分子肽,长期进化过程中其种类,结构,性质,作用机制以及基因表达演化出明显的多样性特征。目前已经从双翅目、鞘翅目、鳞翅目、膜翅目、半翅目、蜻蜒目、虱目、等翅目等昆虫中发现至少200种以上的抗菌肽。对抗菌肽的研究不仅可以揭示免疫机理和免疫进化等科学问题,也有望为新型抗生素的研发和人类医学作出贡献。
本研究以亚洲玉米螟(Ostrinia,furnacalis Guenee)为实验虫源,免疫诱导抗菌肽大量表达,运用几种不同性质的层析手段(离子交换层析,分子筛及反相层析)分离纯化玉米螟血淋巴内的抗菌物质,对达到一定纯度的抗菌活性成分进行氨基酸序列测定,并根据序列结果克隆全长cDNA,获得目的基因的完整信息,并进一步对其组织表达和抗菌谱进行研究。主要实验结果及分析结论如下:
1.实现对玉米螟5龄幼虫免疫诱导,收集血淋巴并进行初步处理,获得了对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌有很强抗菌活性的粗提物。
2.依次通过弱阳离子交换,反相-FPLC和反相-HPLC等层析手段,获得了一个纯度很高的抗菌组分Peak Ⅴ-1-1(15 kDa左右),并进行了氨基酸序列测定,获得了氨基端15个氨基酸序列。而运用离子交换,分子筛及反相-FPLC等层析方法,获得了另外两种有抗菌活性组分Peak Ⅳ-1-1和Peak Ⅳ-2-1,分子量大小大约分别为15 kDa和8 kDa。
3.通过3’-RACE和5’-RACE克隆了Peak Ⅴ-1-1的全长cDNA序列信息,并在基因组水平上得到了两个内含子序列,同源搜索和序列比对都证实了该蛋白为溶菌酶,并命名为OstrinLysC,分子量和等电点分别为13.56 kDa和8.95。
4.通过对序列比对,系统发育分析及三维空间结构预测,OstrinLysC为c-type,lysozyme,具有保守性的两个催化位点(Glu<32>和Asp<50>)和8个Cys,其三维空间结构尤其是活性中心区域也表现出与c-type lysozyme较高的相似性与保守性。
5.半定量RT-PCR结果表明,OstrinLysC基因在主要免疫组织脂肪体和血细胞内受诱导后表达量显著提高,而在主要消化组织肠道组织内其表达并不受诱导影响,而呈一定量的组成型表达,推测OstrinLysC在免疫组织和消化组织内可能担负了不同的功能,即免疫防御和消化作用,这是首次在鳞翅目昆虫中检测到溶菌酶基因的组成型表达。
6.抗菌谱显示OstrinLysC不仅具有对革兰氏阳性菌的高度抑制活性,而且对革兰氏阴性菌也表现出选择性抑制活性,这是第四个被鉴定具有抗革兰氏阴性菌活性的c-type lysozyme。通过分析残基性质和三维空间结构,结合革兰氏阴性菌细胞壁尤其是细胞外膜的结构,把lysozyme与革兰氏阴性菌相互作用的过程分为四个步骤,提出可能影响lysozyme活性差异的一些关键因素,如分子表面电荷分布,分子柔性与非极性空间定位,活性中心底物结合残基等。
本论文通过多种层析方法,从诱导的亚洲玉米螟血淋巴中分离出三种抗菌活性组分,其中一种为溶菌酶,在鉴定基因的基础上对其组织表达进行了研究,揭示了其生理学功能;同时对造成生物活性差异的结构特征进行了详细分析,建议了一级序列的物理化学性质与三维空间结构特征可能是造成lysozyme分子抗革兰氏阴性菌的关键所在,这些因素的剖析也一定程度上为抗菌肽作用机理的研究提供线索,同时也有助于广谱抗菌肽类药物的设计,具有一定的理论意义和潜在的应用价值。