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固有免疫(innate immunity)是指机体在种系发生和进化过程中逐渐形成的一种天然免疫防御功能,构成机体抵御病原生物入侵的第一道防线。Toll样受体(TLR)与白介素1受体(IL1R)是参与固有免疫的重要成员,它们共同拥有一个高度保守的胞内结构域,称为Toll/IL1receptor结构域,即TIR结构域。TIR结构域是一段由200个左右氨基酸组成的保守序列,其中又可分为3个保守的Box。众多含TIR结构域的基因在固有免疫及获得性免疫中起着非常重要的作用。含TIR结构域的蛋白分布极为广泛,在原核生物、真核生物和病毒中都有发现。后来,在TIR结构域的基础上鉴定了一类类似于TIR结构域的新结构域,即SEF/IL-17R(SEFIR)结构域。SEFIR结构域的功能形式跟TIR结构域很相似,也是形成二聚体(TIR-TIR/SEFIR-SEFIR)。含SEFIR结构域的基因也被证实在固有和获得性免疫中同样起着重要的作用。在本文中我们所研究的对象是含TIR结构域的3个接头蛋白(TIRAP, TIC AM-1和TICAM-2)与TLR和含SEFIR结构域的IL17R、IL17R接头蛋白(CIKS/ACT1/TRAF3IP2)和原核中的SEFIR蛋白。大部分研究结果已经发表,其主要成果如下：1.IL17R的研究集中在脊索动物中,我们发现虽然在高等哺乳动物中已报道有5种IL17R亚家族,但是在脊椎动物祖先头索动物中只有二种IL17R亚家族(IL17RA和IL17RD),随后在早期脊椎动物中迅速扩增到5类(IL17RA-IL17RE)。在脊椎动物的进化中IL17RA和IL17D相对保守,而剩余的IL17RB/C/E家族不同程度的发生丢失。通过比较基因组的分析,我们在保守的IL17RA和IL17RD亚家族中鉴定了一些潜在的功能位点,并且预测了它们的功能,例如我们定义的IL17RD的C末端新功能域CPD(C-terminus Phosphorylation Domain)。我们在脊椎动物中鉴定出了一类缺少SEFIR结构域却又类似于IL17RE的基因,将这些基因命名为IL17REL。通过我们较为深入的研究把IL17REL定义为IL17R的第6大家族,IL17REL亚家族。基于IL17REL的蛋白特点,我们推测IL17REL具有负调控IL17R信号通路的作用,所以具有潜在治疗自身性免疫疾病的功能。2. CIKS/ACT1/TRAF3IP2是一类含有SEFIR结构域的胞内蛋白。这个蛋白通过与IL17R和CD40/BAFF结合在炎症反应和自身免疫性疾病中起了重要的作用。我们研究发现虽然线虫和海胆中有IL17和IL17R的同源基因,但是没有发现其接头蛋白CIKS。我们在文昌鱼及蜗牛中发现了一类原始的CIKS,这种CIKS除了包含像哺乳动物那样的SEFIR结构域外,还包含一个DEATH结构域,非常类似于MyD88,我们将其命名为CIKSL。进一步研究发现,这个CIKSL经过串联复制和结构域丢失的过程进化成了脊椎动物早期的CIKS基因。通过进化分析,我们发现在脊椎动物中存在两类CIKS,一类是人源CIKS的直系同源基因,另一类是旁系同源基因。我们在青岛文昌鱼中进行的mRNA半定量表达实验暗示古老的CIKS联合IL17可能参与了免疫反应,这个功能在脊索动物中可能是保守的。随着基因组的复制,当越来越多的相关基因出现之后,CIKS也相应的进化出了多样化的功能。3.为了探索SEFIR结构域的起源问题,以便加深我们对IL17R和CIKS(都含有SEFIR结构域)起源进化的理解,我们在1400种原核生物基因组中进行了分析。在这些基因组中,只发现了84个含SEFIR结构域的蛋白。我们发现这84个结构域可能是通过水平转移从真核生物CIKS到了原核生物。由于这些原核生物的SEEIR结构域大多是以单一形式存在于各自的原核物种中,所以无法完成SEFIR-SEFIR的结合,这暗示其功能可能是与其它物种的SEFIR结合。通过对病原菌性质及SEFIR结构域的空间结构和电荷分析,我们发现病原菌的SEFIR结构域有潜在干扰IL17R信号通路的作用。如果真是如此,那不但提拱了一条治疗病原菌感染的新思路,而且可能为治疗IL17R信号通路引起的自身免疫疾病提供一种思路。4.结构域的重组对含有多结构域的蛋白的进化是十分重要的,也是塑造免疫系统的重要步骤。Toll/TLR在免疫系统中起着重要的作用,它们是由胞内的TIR结构域和胞外的LRR结构域组成的。迄今为止,关于Toll/TLR研究已经很多,但是没有结构域组合这方面的研究。我们分析了这两个结构域组合的历程。我们的研究发现在非对称动物海绵动物中已经出现了TIR-only蛋白和LRR-only蛋白,到了刺胞动物门已经出现了原始的P-Toll,并且在刺胞动物中已经出现了原始的V-TIR-only蛋白。直到对称动物与非对称动物分歧之后V-TLR才开始出现,在原口动物门和后口动物门中广泛分布。在脊椎动物出现之前,V-TLR可能又经历了一次结构域的重排,并最终导致了脊椎动物的TLR的出现。人工合成蛋白在很多治疗领域发挥作用,本部分从结构域重排的角度描绘了TLR进化的历程,为将来可能的人工Toll/TLR基因重排提供线索。5.通过在25个已测序的后生动物物种基因组中的鉴定,我们发现最早的TIRAP和TICAM起源于脊索动物头索动物；而唯一的非哺乳类TICAM-2存在于鲨鱼基因组中。通过结构及序列的比较发现这些新鉴定的基因与人相应的同源基因相比既有共同点,又有不同之处。这些功能位点的变化没有影响TICAM-1基本的功能,但是可能影响了TIRAP的功能。另外我们还发现TIR-TIR结构域之间的结合更倾向于点对点的结合方式。最后,结合3种接头蛋白相关的基因,我们推测了接头蛋白与其功能之间的起源关系：病毒-TLR3/22-TICAM-1.革兰氏阴性菌-TLR4-TICAM-2和革兰氏阳性菌-TLR2-TIRAP。此项研究理顺了3种接头蛋白的进化历程,有助于理解脊椎动物TLR信号网络的进化。以上关于IL17R和TLR信号通路成员的进化比较基因组学的研究一方面理清了他们的进化的历程,为这些基因功能的研究提供了线索,另一方面推测了宿主免疫系统与病原菌之间的互作关系,有助于我们疾病的防治。