魚類先天性免疫基因的功能研究

2021-01-15 生物谷

圖註:斑馬魚C1q-like的敲降造成胚胎的發育缺陷和caspase 3/9活性的改變

生物谷報導:近十幾年來,由於水產動物重大病害頻頻發生以及病急亂用藥、濫用藥引起的水產品食品安全等隱患,國際上已形成了進行魚類等水產動物免疫學研究的交叉學科,且尤為重視先天性免疫機制研究。近年來,中科院水生所淡水生態與生物技術國家重點實驗室在國家基礎研究計劃973項目的支持下,已在漁業生物技術研究方向滋生出新的進行魚類先天性免疫調控機制研究的生長點,建立了研究魚類抗病毒基因的細胞模型,在魚類病毒病的免疫遺傳機理研究上取得突破,已克隆出一批與魚類先天性免疫相關基因或抗病相關基因,引起國際同行的關注。最近,由桂建芳研究員主持的魚類發育遺傳學學科組和張奇亞研究員主持的水生病毒學學科組通過交叉合作,已開始深入到魚類先天性免疫相關基因的功能研究方面,取得了兩項重要進展。

第一項進展主要是由博士研究生梅潔等完成,美國加州大學洛杉磯校區林碩教授提供了斑馬魚突變體,為合作者之一。該研究是在實驗室前期從鯽魚中鑑定出一個與補體C1q類似的C1q-like基因並發現它可能與免疫和細胞凋亡有關的基礎上,進一步利用體外培養細胞和斑馬魚來進行功能研究。體外研究表明,C1q-like能抑制誘導劑誘導的caspase-3和9的活性,進而抑制凋亡。Morpholino介導的基因敲除分析揭示斑馬魚C1q-like有抗凋亡作用,發現C1q-like敲降後,調亡因子表達上調、細胞周期紊亂、血細胞發生相關基因表達下調,血色素合成減少、腦血管發育異常。研究還進一步發現,所有抑制C1q-like造成的功能缺陷,都能通過抑制p53的表達來挽救。紫外線照射和細菌感染均能誘導C1q-like的過量表達,而且抑制C1q-like的表達胚胎更易於受到細菌的侵襲而死亡。因此,C1q-like 應是斑馬魚胚胎中一個新的細胞存活調控因子,在胚胎發育特別是腦發育過程抑制p53依賴的和caspase 3/9介導的細胞凋亡中起了重要的抗凋亡和保護作用。該研究成果已在美國發育生物學會會刊愛思唯爾期刊《發育生物學》(Developmental Biology)在線發表。

第二項進展主要是由朱蓉博士和張義兵博士等共同完成。該研究主要是圍繞魚類中是否存在dsRNA依賴的蛋白激酶PKR以及魚類PKR是否具有抗病毒功能而展開的。通過建立由滅活病毒誘導的牙鮃囊胚培養細胞SMART cDNA文庫,篩選克隆得到牙鮃PKR基因。該基因具有哺乳類PKR保守的結構域,包括N端的兩個dsRNA結合區,以及C端激酶區。dsRNA結合區能結合dsRNA,而激酶區能抑制翻譯。在正常細胞中,PKR僅具有低水平的本底表達。在大菱鮃彈狀病毒感染過程中,PKR表達上調,同時伴隨著eIF2α磷酸化增強。在細胞中過量表達野生型PKR也能導致eIF2α磷酸化水平增強,且抑制病毒增殖;而當過量表達喪失激酶活性的PKR突變體時,則無此效應。進而,RNA幹擾實驗證實PKR能通過磷酸化eIF2α發揮抑制蛋白翻譯的功能。上述研究結果首次證實魚類確實存在與哺乳類一致、且具有相似功能的PKR介導的抗病毒途徑,首次揭示了魚類PKR基因的功能結構域及其抗病毒功能。該研究結果已由美國微生物學會主辦的權威雜誌之一《病毒學雜誌》(Journal of Virology)在線發表。

關於這兩項研究成果的意義,這兩篇論文的通訊作者桂建芳研究員介紹說,魚類先天性免疫相關基因的鑑定特別是其功能和作用機制研究是國際上的研究熱點之一,這一方面是因為魚類作為相對原始的脊椎動物,對

其先天性免疫基因功能及其作用機制的剖析將有助於了解脊椎動物免疫系統的發生和進化,另一方面魚類作為人類的主要蛋白來源之一,魚類的健康養殖和安全水產品的可持續發展更需要我們闡明魚類先天性免疫機制,制定出更為健康高效的養殖對策和措施。(生物谷www.bioon.com)

生物谷推薦原始出處:

Developmental Biology, doi:10.1016/j.ydbio.2008.04.022,Jie Mei,Jian-Fang Gui

C1q-like inhibits p53-mediated apoptosis and controls normal hematopoiesis during zebrafish embryogenesis

Jie Meia, Qi-Ya Zhanga, Zhi Lia, Shuo Linb and Jian-Fang Guia, ,

aState Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology, Center for Developmental Biology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China

bDepartment of Molecular, Cell, and Developmental Biology, University of California, Los Angeles, CA 90095, USA

Abstract

Except for the complement C1q, the immunological functions of other C1q family members have remained unclear. Here we describe zebrafish C1q-like, whose transcription and translation display a uniform distribution in early embryos, and are restricted to mid-hind brain and eye in later embryos. In vitro studies showed that C1q-like could inhibit the apoptosis induced by ActD and CHX in EPC cells, through repressing caspase 3/9 activities. Moreover, its physiological roles were studied by morpholino-mediated knockdown in zebrafish embryogenesis. In comparison with control embryos, the C1q-like knockdown embryos display obvious defects in the head and craniofacial development mediated through p53-induced apoptosis, which was confirmed by the in vitro transcribed C1q-like mRNA or p53 MO co-injection. TUNEL assays revealed extensive cell death, and caspase 3/9 activity measurement also revealed about two folds increase in C1q-like morphant embryos, which was inhibited by p53 MO co-injection. Real-time quantitative PCR showed the up-regulation expression of several apoptosis regulators such as p53, mdm2, p21, Bax and caspase 3, and down-regulation expression of hbae1 in the C1q-like morphant embryos. Knockdown of C1q-like in zebrafish embryos decreased hemoglobin production and impaired the organization of mesencephalic vein and other brain blood vessels. Interestingly, exposure of zebrafish embryos to UV resulted in an increase in mRNA expression of C1q-like, whereas over-expression of C1q-like was not enough resist to the damage. Furthermore, C1q-like transcription was up-regulated in response to pathogen Aeromonas hydrophila, and embryo survival significantly decreased in the C1q-like morphants after exposure to the bacteria. The data suggested that C1q-like might play an antiapoptotic and protective role in inhibiting p53-dependent and caspase 3/9-mediated apoptosis during embryogenesis, especially in the brain development, and C1q-like should be a novel regulator of cell survival during zebrafish embryogenesis.

 

Journal of Virology,doi:10.1128/JVI.02385-07,Rong Zhu,Jian-Fang Gui

Functional domains and the antiviral effect of the dsRNA-dependent protein kinase PKR from Paralichthys olivaceus

Rong Zhu, Yi-Bing Zhang, Qi-Ya Zhang, and Jian-Fang Gui*

State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China

* To whom correspondence should be addressed. Email: jfgui@ihb.ac.cn .

Abstract

The double-stranded RNA (dsRNA)-dependent protein kinase PKR is thought to mediate a conserved antiviral pathway by inhibiting viral protein synthesis via phosphorylation of the alpha subunit of eukaryotic initiation factor 2 (eIF2). However, little is known about the data related to low vertebrate including fish. Recently, identification of PKR-like or PKZ has addressed the question of whether there is orthologous PKR in fish. Herein, we identify the first fish PKR gene from Japanese flounder Paralichthys olivaceus (PoPKR). PoPKR encodes a protein that shows conserved structure characteristic of mammalian PKRs, with the N-terminal region for dsRNA binding and the C-terminal region for inhibition of protein translation. The catalytic activity of PoPKR is further validated to require for protein translation inhibition in vitro. PoPKR is constitutively transcribed at low levels and is highly induced after virus infection. Strikingly, PoPKR overexpression increases eIF2 phosphorylation and inhibits replication of SMRV (Scophthalmus maximus rhabdovirus) in FEC cells, whereas the phosphorylation and antiviral effect are impaired in transfected cells expressing the catalytically inactive PKR-K421R variant, indicating that PoPKR inhibits virus replication by phosphorylating substrate eIF2. The interaction between PoPKR and eIF2 is demonstrated by coimmunoprecipitation assays, and transfection of PoPKR-specific siRNA further reveals that the enhanced eIF2 phosphorylation is catalyzed by PoPKR during SMRV infection. The current data provide significant evidence for the existence of PKR-mediated antiviral pathway in fish, and reveal considerable conservation in the functional domains and the antiviral effect of PKR proteins between fish and mammals.

相關焦點

  • 中草藥對魚類非特異性免疫機能的研究概況
    本文對中草藥在魚類非特異性免疫機能方面的研究概況進行綜述。  中草藥(Chinese&nbspherbal)用於強健機體、增強免疫功能在我國有著古老的歷史和悠久的發展歷程。近幾年來人們將現代科學技術與傳統精髓進行結合,研究中草藥作為飼料添加劑並應用於畜禽生產,獲得了一定的生態效益和社會效益。
  • ...兒童醫院免疫專家趙曉東幾十年如一日潛心研究 為先天性免疫...
    從出生開始就反覆肺炎,經常流鼻血或身體表面有奇奇怪怪的出血點……患上這種病,相當於身體失去了保護傘,有的孩子甚至活不到2歲,這就是先天性免疫缺陷疾病,也是重醫附屬兒童醫院免疫專家趙曉東幾十年來研究的領域。9月11日,趁著工作間隙,他又來到位於醫院綜合樓10樓的感染與免疫性疾病研究中心。他希望能用專業的精神、創造性的勞動,為先天性免疫缺陷孩子尋找生的希望。
  • 國防科大合成生物學研究團隊揭示微重力先天性免疫新機制
    前期多項研究證明微重力在機體免疫細胞發育和增殖、細胞因子分泌、信號傳導、先天性免疫應答、獲得性免疫應答和記憶等方面均有顯著影響,其中先天性免疫系統功能的紊亂是造成人體對自身或太空飛行器攜帶病原的抵抗能力減弱以及感染性疾病風險增加的重要因素。
  • Nature:不同細胞和物種之間的基因表達差異塑造先天性免疫
    在一項新的研究中,來自英國威康基金會桑格研究所和歐洲分子生物學實驗室(EMBL)歐洲生物信息學研究所等研究機構的研究人員對六種哺乳動物物種中的25萬多個細胞的基因進行測序,證實了免疫反應中的基因如何在不同的細胞之間和不同的物種之間具有不同的活活性。
  • 研究揭示魚類天然免疫受體NOD1抗病毒作用機制
    先天性免疫反應是機體防禦外來病原微生物感染的第一道防線,這種快速非特異性的反應依賴於模式識別受體對病原相關分子模式的識別與結合。核苷酸寡聚化結構域樣受體(Nucleotide oligomerization domain-like receptors, NLRs)家族成員NOD1是經典的抗細菌相關的胞內模式識別受體,儘管已有研究顯示脊椎動物的NOD1參與機體抗病毒免疫反應,但其具體的作用機制仍不清楚。
  • ...趙曉東幾十年如一日潛心研究 為先天性免疫缺陷孩子尋找生的希望
    從出生開始就反覆肺炎,經常流鼻血或身體表面有奇奇怪怪的出血點……患上這種病,相當於身體失去了保護傘,有的孩子甚至活不到2歲,這就是先天性免疫缺陷疾病,也是重醫附屬兒童醫院免疫專家趙曉東幾十年來研究的領域。9月11日,趁著工作間隙,他又來到位於醫院綜合樓10樓的感染與免疫性疾病研究中心。他希望能用專業的精神、創造性的勞動,為先天性免疫缺陷孩子尋找生的希望。
  • 我國魚類免疫、抗病毒相關基因鑑定闡明分子機理
    中國科學院水生生物研究所最近在魚類抗病毒和免疫的分子研究上取得突破:分離、鑑定了一批參與魚類抗病毒和免疫反應的基因,尤其是魚類幹擾素系統基因。該研究成果對進一步闡明魚類抗病毒免疫的分子機制,以至推動魚類抗病毒藥物的研製和抗病毒育種技術的建立都具有重要的理論指導意義。 魚類病毒性疾病是至今無法解決的世界性難題。
  • 先天性免疫系統如何識別外來病原體
    身體中先天性免疫系統的細胞能夠利用一種包含STING的信號通路來檢測外來入侵病毒的DNA並且幫助機體低於這些病毒對機體造成的感染。然而,目前研究人員無法確定STING能否在機體後天的免疫系統中誘發相同或不同的免疫反應。
  • 論文解讀--虹鱒紅細胞在魚類DNA疫苗誘導免疫應答中的潛在作用
    近年來,有報導魚類有核紅細胞(RBC)參與了對病毒感染的應答反應。本文研究團隊前期已經證明虹鱒紅細胞能夠表達由抗病毒性出血性敗血症病毒(以下簡稱VHSV)的DNA疫苗編碼的抗原,並在體外對該抗原進行免疫應答。這次,研究者的目的是探索虹鱒紅細胞在體內DNA疫苗接種中目前未知的作用。在這篇文章中,研究者首次展示了在用VHSV的糖蛋白G對虹鱒進行DNA免疫後紅細胞在引發的免疫反應中的作用。
  • 抗感染免疫—先天性非特異性免疫
    包括先天性免疫和獲得性免疫(特異性免疫)兩大類。抗感染免疫能力的強弱與動物的種屬、年齡、營養狀況及內分泌等因素有關,但最重要的是與機體的免疫功能有關。抗感染免疫能使機體抵禦、清除病原體及其有害產物,維持機體內部環境的穩定和平衡。先天性免疫應答又稱非特異性免疫應答,是指動物體內的非特異性免疫因素介導的對所有病原微生物和外來抗原物質的免疫反應。
  • 科學家揭示DNA促進先天性免疫反應機制
    這種被稱作cGAS的二聚體酶作為這種錯放DNA的檢測器發揮作用,「通知」細胞的先天性免疫系統存在感染。如今,Hopfner團隊與慕尼黑大學基因中心的Veit Hornung博士和慕尼黑大學生物醫學中心的Heinrich Leonhardt教授發現為何細胞質中存在的DNA長度對它被檢測到的效率產生影響。
  • 整合素4β7活化在先天性免疫和適應性免疫介導的腸道炎症的機制
    該研究在整合素β7亞基引入點突變,構建了活化缺失的β7基因敲入小鼠,揭示了與完全抑制整合素α4β7的功能相比,α4β7活化缺失可以維持腸道內足夠的Treg細胞,有效減少免疫細胞向腸道相關免疫器官的遷移,從而有效緩解腸道炎症的發生和發展。腸道炎症性疾病(IBD)是一類嚴重危害人類生活質量和生命安全的疾病,主要包括潰瘍性結腸炎(UC)和克羅恩病(CD)。
  • 論文解讀:綜述-魚類母源性免疫和免疫增強劑的跨代免疫作用
    近年來,有關於魚類母源性免疫和免疫增強劑跨代免疫功能的研究報導,為解決這一養殖難題&nbsp提供了可能。本文對近年來有關研究進展作了簡要概述。1.&nbsp病害乃魚類胚胎和仔稚魚死亡重要原因之一魚類早期胚胎和仔稚魚高死亡率,長期以來是魚類生活史研究領域中的一個中心問題。魚類的發育從受精卵開始,歷經胚胎發育期、仔魚期、稚魚期,直至發育到幼魚期結束。
  • 魚類先天免疫作用機制研究取得系列進展
    中國科學院水生生物研究所研究員昌鳴先學科組對硬骨魚類的這兩類模式識別受體家族及其所介導的信號通路上關鍵基因的選擇性剪接和免疫功能開展了一系列深入的研究。該學科組曾發現,硬骨魚類I型幹擾素通過選擇性剪接,既可產生分泌性又可產生功能性的胞內幹擾素系統(PLoS Pathog. 9:e1003736. doi: 10.1371/journal.ppat.1003736.)。
  • 鞍帶石斑魚基因組精細圖譜繪製完成
    日前,在山東省農業良種工程等項目支持下,海洋試點國家實驗室海洋漁業科學與食物產出過程功能實驗室(以下簡稱「海洋漁業功能實驗室」)陳松林研究員團隊、林浩然院士團隊和美國密西根州立大學李偉明教授團隊等,聯合完成了鞍帶石斑魚(龍膽石斑)的全基因組測序和基因組圖譜繪製,並解析了其先天性免疫和快速生長的基因組學機制。
  • 先天性免疫和獲得性免疫的橋梁——NKT細胞
    先天性免疫和獲得性免疫的橋梁——NKT細胞 2020-10-16 17:32 來源:澎湃新聞·澎湃號·湃客
  • eLife:一種機體先天性免疫傳感器分子或有望抑制肝癌進展
    2019年5月4日 訊 /生物谷BIOON/ --近日,一項刊登在國際雜誌eLife上的研究報告中,來自美國西南醫學中心的科學家們通過研究發現,機體先天性免疫系統中對腸道微生物產生反應的一種特殊蛋白或能有效抑制常見肝癌的發生和進展,這種名為NLRP12的先天性免疫感受器或能有效幫助抵禦肝細胞癌的發生。
  • 水生所揭示魚類調控抗病毒天然免疫反應的機制
    魚類病毒病的爆發與流行是水產養殖尤其是集約化養殖的重要威脅。與哺乳動物類似,魚類抗病毒感染主要通過天然免疫反應系統和獲得性免疫反應系統來行使功能。天然免疫反應系統是在生物體演化出來的、對抗病原體感染的古老防禦系統,從低等的無脊椎動物到人類都得到高度發展,是生物體抗病毒感染的第一道重要防線。
  • 目前已經從研究單個基因發展到研究生物整個基因組的結構與功能
    基因診斷與基因治療是基因工程在醫學領域發展的一個重要方面。1991年美國向一患先天性免疫缺陷病(遺傳性腺苷脫氨酶ADA基因缺陷)的女孩體內導入重組的ADA基因。獲得成功。我國也在1994年用導入人凝血因子IX基因的方法成功治療了乙型血友病的患者。
  • 近期基因療法研究領域重要成果!
    這種由兩部分組成的方法涉及將一個編碼免疫激活物的基因注射到腦瘤部位中並服用一種激活這個基因的藥物,從而導致免疫激活物---白細胞介素12(IL-12)---的產生和免疫細胞滲入到腫瘤組織中。這些結果還提示著這種治療可能延長患者的生存期,相關研究結果發表在Science Translational Medicine期刊上。