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文昌鱼和光滑双脐螺中两类免疫球蛋白功能域晶体结构及演化的研究

作　者: 江波
导　师: 夏春
学　校: 中国农业大学
专　业: 预防兽医学
关键词: 免疫球蛋白超家族V型结构域文昌鱼 FREP 免疫进化晶体结构
分类号: S917.4
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

免疫系统是动物机体抵御外物入侵的关键性防御体系,探索免疫分子的起源一直是免疫学的研究热点。免疫球蛋白超家族(immunoglobulin superfamily, IgSF)成员作为免疫系统的重要分子基础,已被证明在抗原递呈、信号传导等核心免疫反应过程中发挥关键作用,然而IgSF分子最早出现在哪类物种的免疫系统中?又是如何逐渐演化为获得性免疫系统核心分子的?迄今为止仍然不得而知。为了在低等无脊椎动物中寻找原始和具有多样性的IgSF免疫分子,通过与经典适应性免疫分子进行序列和结构比较探索适应性免疫系统起源及抗原受体分子的进化特征,本文选取了在非脊椎动物和脊椎动物之间具有特殊进化地位的头索动物-文昌鱼和更低等的软体动物-光滑双脐螺为研究对象,通过结构免疫学方法分析其体内发现的新型IgSF免疫分子的结构特征及其与适应性免疫分子的亲缘关系,进而阐明古老物种中IgSF免疫分子的结构特点及其可能在适应性免疫系统进化过程中的演变特征。首先通过基因组分析,在文昌鱼中发现了一种新型具有IgSF结构域的免疫相关分子(Amphi-IgSF-V),随后对其进行了表达、纯化、结晶,并解析了其晶体结构,分辨率为1.95A。Amphi-IgSF-V与负鼠TCRδ链和人Ig分子轻链的V结构域氨基酸同源性为31%,且具有典型IgSFV型分子三维结构；同时分析发现其空间构象与已解析的鼠Ig分子重链、人TCRa链、硬骨鱼NITR等免疫受体分子的IgSF V结构域极其相似(RMSD<1.2). Amphi-IgSF-V作为文昌鱼中首次发现的胞外仅含单一IgSF结构域的膜蛋白分子,其胞内区具有传递活化信号功能的ITAM-like基序,胞外IgSF V结构域具有比文昌鱼VCBP分子更为典型的β-Budge结构和J链序列(PGDGSDKNLvV),而且Amphi-IgSF-V二聚体分子间Arg33、Phe38和Pro88的侧链向分子间伸出形成了脊椎动物抗原受体分子具有的"3-lays peaking"结构。上述结果发现并提示了Amphi-IgSF-V可能是获得性免疫受体祖先分子在低等头索动物文昌鱼中的一种原始进化形态,这为进一步研究源于文昌鱼的IgSF-V型免疫相关分子的起源与进化提供了新的思路。纤维蛋白原相关蛋白(FREP)作为软体动物-光滑双脐螺螺体内重要的自身防御分子已被证实在基因、转录组和蛋白聚合水平均具有多样性,是免疫进化领域研究最多的无脊椎动物免疫分子之一。本文中选择了螺FREP3分子中的多样性IgSF区域FREP3VV(包括两个串联IgSFV结构域FREP3V1和FREP3V2)和具有抗寄生虫功能的FREP4分子及FREP2分子的IgSF V结构域(FREP2V)为研究对象,表达、纯化、结晶了FREP3V1、 FREP3V2后分别收获了2.8A和2.1A的晶体衍射数据。并且在突变甲硫氨酸(Met)后,表达结晶了FREP3V1、FREP3V2的硒代蛋白(Se-Met),分别收获了1.7A和2.0A的硒代衍射数据及一套FREP3V2多甲硫氨酸蛋白3.3A的硒代衍射数据,提供了可以确定FREP IgSF-V结构域空间相位的实验数据,首次解析了FREP3V1-2M和FREP3V2-1M蛋白的3D结构,验证了FREP3分子的两个IgSF结构域是Ⅴ型的推测,推进了多样性免疫受体分子进化的研究。随后,又表达、纯化、结晶了FREP2V并收获一套2.6A的衍射数据,这样能以FREP3V2为模型用分子置换法解析其3D结构。为了进一步进行FREP3V结构域的功能研究,本文又构建了稳定表达FREP3VV、FREP4蛋白的重组杆状病毒并制备了FREP3VV的可溶性蛋白,以此可以进一步进行FREP3VV的结构和功能研究。综上所述,本文对头索和软体动物中两类免疫球蛋白功能域晶体结构及其结构演化进行了研究,这些数据的获得为探索无脊椎动物中古老IgSFV型免疫分子的结构特点及其进化过程中的演变模式提供了新的思路和有力的数据支持。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
插图清单  10-12
附表清单  12-13
缩略词表  13-14
第一章引言  14-31
  1 文献综述  14-28
  2 研究的目的与意义  28-29
  3 研究内容与技术路线  29-31
第二章文昌鱼Amphi-IgSF-V分子晶体结构的研究  31-78
  1 前言  31-32
  2 材料  32-36
  3 方法  36-46
  4 结果  46-74
  5 讨论  74-77
  6 小结  77-78
第三章螺FREP分子晶体结构的研究  78-114
  1 前言  78-79
  2 材料  79-81
  3 方法  81-83
  4 结果  83-110
  5 讨论  110-113
  6 小结  113-114
第四章螺FREP3和FREP4分子表达策略的研究  114-130
  1 前言  114
  2 材料  114-116
  3 方法  116-121
  4 结果  121-128
  5 讨论  128-129
  6 小结  129-130
第五章结论和创新点  130-132
  1 结论  130-131
  2 创新点  131-132
参考文献  132-141
致谢  141-142
个人简历  142

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