本文選題：Toll樣受體 + 天然免疫　； 參考：《山東大學》2016年博士論文

【摘要】：天然免疫(Innate immunity)是一種古老的宿主防御系統(tǒng),廣泛分布在不同生物體中并處于抵御病原體感染的第一線。Toll樣受體(Toll-like receptor,簡稱TLR)是脊椎動物天然免疫系統(tǒng)中關鍵的模式識別受體,其可特異性的識別并結合病原體中保守的病原相關分子模式(PAMP)進而引發(fā)一個天然免疫反應,并使適應性免疫系統(tǒng)做好準備。與傳統(tǒng)認識不同,Toll樣受體的發(fā)現使人們認識到天然免疫系統(tǒng)識別病原體事實上是專一性的。脊椎動物Toll樣受體多基因家族已被發(fā)現可特異識別多種結構迥異的配體,如脂質、脂蛋白、聚糖、蛋白質、核酸等等。然而,對于脊椎動物Toll樣受體如何發(fā)展出這種配體識別的多樣性目前還不清楚。Toll樣受體是表達在細胞表面或胞內小室的I型跨膜糖蛋白,通常由識別配體的N-末端胞外結構域、單次跨膜螺旋和轉導信號的C-末端胞內TIR(Toll/IL-1 receptor)結構域構成。本文利用脊椎動物Toll樣受體胞外域少數已知的結晶結構和大量通過穿線法獲得的模建結構,開展了對Toll樣受體多基因家族識別多樣配體機制的研究。結合結構分析、系統(tǒng)發(fā)生分析、比較基因組分析、進化分析等,本文提出了Toll樣受體胞外域架構(Architecture)影響其配體識別特異性,并據此進一步對幾種配體尚不清楚的脊椎動物Toll樣受體進行了分析和預測。本文的研究內容和主要結果如下：1.胞外域架構影響Toll樣受體識別病原體的特異性Toll樣受體多基因家族的數千成員被在脊椎動物基因組中識別了。Toll樣受體負責識別配體的胞外域呈馬蹄鐵樣形狀,由數個富含亮氨酸重復區(qū)域(LRR)構成。胞外域中相鄰LRR模塊凹面保守的天冬酰胺位點間可以形成有助于穩(wěn)定其整體結構的氫鍵網絡(被稱為天冬酰胺梯子)。我們對脊椎動物28種Toll樣受體的結構分析顯示,胞外域存在三種架構：具有完整天冬酰胺梯子的單域型架構、梯子中部被破壞的三域型架構和梯子兩端被破壞的反三域型架構。進一步的,我們判定了目前已知的1428個完整脊椎動物Toll樣受體的TLR類型,并基于序列和結構上的差異將它們劃分為8個家族。來自同一家族Toll樣受體的胞外域具有相同架構,并識別相似配體。系統(tǒng)發(fā)生分析顯示,Toll樣受體胞外域的三種架構在脊椎動物進化早期就已出現。胞外域架構影響了Toll樣受體識別和結合配體的特異性,具有三域型架構的Toll樣受體結合疏水配體,而具有單域型或反三域型架構的Toll樣受體則主要結合親水配體。除少數例外,具有三域型架構的Toll樣受體主要應答細菌類和真菌類病原體,多數具有單域型架構的Toll樣受體識別病毒,而具有反三域型架構的Toll樣受體則主要結合原生動物寄生蟲成分。具有三域型架構的Toll樣受體主要表達在細胞表面,而單域型和反三域型則大多表達在細胞內的膜泡。三域型架構和反三域型架構都報道有以異源二聚體形式工作的Toll樣受體,而已知的具有單域型架構的Toll樣受體則都是同源二聚體。此外,Toll樣受體胞外域架構的差異可能還深刻地影響了脊椎動物的進化。我們對39種脊椎動物基因組的比較分析顯示,陸生脊椎動物基因組中具有單域型架構的Toll樣受體基因的數目只有水生脊椎動物基因組的一半。dN/dS值表明純凈選擇是驅動脊椎動物Toll樣受體進化的主要驅動力。在哺乳動物中,具有單域型架構的Toll樣受體基因比具有三域型架構的Toll樣受體基因受到了更強的純凈選擇作用。2.反三域型TLR19識別病原體預測盡管從TLR19首次被鑒定至今已超過十年,但目前對TLR19的了解還很少,尤其是TLR19識別的配體仍不清楚。系統(tǒng)發(fā)生分析表明,TLR19屬于家族11,其與TLR20以及TLR11/12在進化樹上聚成一簇。TLR20是TLR19最近源的旁系同源物。TLR19胞外域含有24個LRR模塊。胞外域結構分析顯示,TLR19及其所屬的家族11都具有反三域型架構,其胞外域中天冬酰胺梯子的兩端被破壞了。表面靜電勢分析表明,TLR19胞外域三維結構中上升側表面比下降側表面具有更強的極性。具有較強表面靜電勢的上升側表面可能主要參與了TLR19胞外域與配體的結合。TLR19胞外域的反三域型架構和表面靜電勢分布都與TLR11和TLR12相似,因此TLR19也很有可能與TLR11/12一樣識別來自原生動物的蛋白質類配體。此外,TLR19基因座上的dN/dS值很小,表明TLR19進化受到了強的功能約束。TLR19編碼序列中大約三分之一的密碼子經受了顯著的負選擇作用,而只有5個密碼子被發(fā)現經受了顯著的正選擇作用。3.三域型TLR27的鑒定及其識別病原體預測通過構建所有已知脊椎動物Toll樣受體序列的系統(tǒng)發(fā)生關系,一種新型的Toll樣受體被識別并命名為TLR27。TLR27目前僅在全骨魚類的鱔魚、肉鰭魚類的腔棘魚和軟骨魚類的鯊魚中被發(fā)現了。TLR27屬于家族1,在進化樹上與TLR14/18和TLR25聚成一簇。模塊預測顯示TLR27的胞外域含有19個LRR模塊。對胞外域模建結構的分析表明,TLR27具有三域型架構。中央亞結構域凹面保守天冬酰胺的缺失導致TLR27胞外域產生了結構扭轉,進而在中央亞結構域和C-末端亞結構域的交界處形成了一個明顯的疏水口袋,這個疏水口袋正好位于LRR11和LRR12模塊之間。與家族1中其他功能已知的Toll樣受體類似,我們推測TLR27可以利用胞外域結構中的這個疏水口袋結合疏水配體,進而識別并應答病原體。進化分析表明,TLR27基因座上的dN/dS值非常低,TLR27序列中大約四分之一的密碼子被發(fā)現經受了顯著的負選擇作用,而只有2個受正選擇作用的密碼子被識別了。4.單域型TLR15獨特病原體激活機制分析TLR15被報道具有一種獨特的激活機制。TLR15可因胞外域被細菌和真菌分泌的毒力相關的蛋白酶裂解而導致激活。目前對具有獨特激活機制的TLR15的結構和進化特征了解的還很少。利用最近被大量測序的脊椎動物基因組,我們鑒定出了57個完整的TLR15基因,其中54個來自鳥類,3個來自爬行動物。系統(tǒng)發(fā)生分析顯示,這些TLR15聚成一個單獨的進化枝并鄰近家族1。然而與家族1Toll樣受體胞外域所具有的天冬酰胺梯子中部被破壞的三域型架構不同,全部57個TLR15的胞外域都具有完整的天冬酰胺梯子,屬于單域型架構。因此,我們建議將TLR15單列為一個單獨的家族,即家族15。進一步的,氨基酸進化保守性分析發(fā)現TLR15胞外域在LRR11模塊凸表面具有一個高度進化保守的區(qū)域,這個區(qū)域可能包含了TLR15激活過程中胞外域被蛋白酶裂解的關鍵靶點。此外,蛋白質-蛋白質對接分析表明TLR15的胞內TIR結構域可以形成同源二聚體,預測的TIR二聚體相互作用表面主要由來自BB環(huán)和aC螺旋的殘基組成。盡管TLR15主要經受純凈選擇作用,但我們仍然在TLR15中檢測到了27個顯著受正選擇作用的位點,并且發(fā)現其中24個位于胞外域中。總之,以上這些發(fā)現將有助于理解脊椎動物天然免疫系統(tǒng)為何能夠通過Toll樣受體識別多樣的病原體,也可以為預測那些功能未知的Toll樣受體的潛在配體提供線索。同時,增進對Toll樣受體與病原體配體相互作用的了解,也有助于對人類Toll樣受體基因變異所引發(fā)疾病的防治。
[Abstract]:Toll - like receptor ( Toll - like receptor ) is a key pattern recognition receptor in vertebrate natural immune system . Toll - like receptor ( Toll - like receptor ) is a key pattern recognition receptor in vertebrate natural immune system . TLR27 belongs to family 1 and has a stronger polarity than TLR11 / 12 .
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：Q953

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