本文選題：Toll樣受體 + 天然免疫�。� 參考：《山東大學(xué)》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(guān)鍵的模式識別受體,其可特異性的識別并結(jié)合病原體中保守的病原相關(guān)分子模式(PAMP)進而引發(fā)一個天然免疫反應(yīng),并使適應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)可特異識別多種結(jié)構(gòu)迥異的配體,如脂質(zhì)、脂蛋白、聚糖、蛋白質(zhì)、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(nèi)小室的I型跨膜糖蛋白,通常由識別配體的N-末端胞外結(jié)構(gòu)域、單次跨膜螺旋和轉(zhuǎn)導(dǎo)信號的C-末端胞內(nèi)TIR(Toll/IL-1 receptor)結(jié)構(gòu)域構(gòu)成。本文利用脊椎動物Toll樣受體胞外域少數(shù)已知的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和大量通過穿線法獲得的模建結(jié)構(gòu),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(jié)合結(jié)構(gòu)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(gòu)(Architecture)影響其配體識別特異性,并據(jù)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(yù)測。本文的研究內(nèi)容和主要結(jié)果如下：1.胞外域架構(gòu)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(shù)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(shù)個富含亮氨酸重復(fù)區(qū)域(LRR)構(gòu)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(jié)構(gòu)的氫鍵網(wǎng)絡(luò)(被稱為天冬酰胺梯子)。我們對脊椎動物28種Toll樣受體的結(jié)構(gòu)分析顯示,胞外域存在三種架構(gòu)：具有完整天冬酰胺梯子的單域型架構(gòu)、梯子中部被破壞的三域型架構(gòu)和梯子兩端被破壞的反三域型架構(gòu)。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(jié)構(gòu)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(gòu),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(gòu)在脊椎動物進化早期就已出現(xiàn)。胞外域架構(gòu)影響了Toll樣受體識別和結(jié)合配體的特異性,具有三域型架構(gòu)的Toll樣受體結(jié)合疏水配體,而具有單域型或反三域型架構(gòu)的Toll樣受體則主要結(jié)合親水配體。除少數(shù)例外,具有三域型架構(gòu)的Toll樣受體主要應(yīng)答細菌類和真菌類病原體,多數(shù)具有單域型架構(gòu)的Toll樣受體識別病毒,而具有反三域型架構(gòu)的Toll樣受體則主要結(jié)合原生動物寄生蟲成分。具有三域型架構(gòu)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(nèi)的膜泡。三域型架構(gòu)和反三域型架構(gòu)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(gòu)的Toll樣受體則都是同源二聚體。此外,Toll樣受體胞外域架構(gòu)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(gòu)的Toll樣受體基因的數(shù)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(qū)動脊椎動物Toll樣受體進化的主要驅(qū)動力。在哺乳動物中,具有單域型架構(gòu)的Toll樣受體基因比具有三域型架構(gòu)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(yù)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(jié)構(gòu)分析顯示,TLR19及其所屬的家族11都具有反三域型架構(gòu),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(jié)構(gòu)中上升側(cè)表面比下降側(cè)表面具有更強的極性。具有較強表面靜電勢的上升側(cè)表面可能主要參與了TLR19胞外域與配體的結(jié)合。TLR19胞外域的反三域型架構(gòu)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(zhì)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(jīng)受了顯著的負選擇作用,而只有5個密碼子被發(fā)現(xiàn)經(jīng)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(yù)測通過構(gòu)建所有已知脊椎動物Toll樣受體序列的系統(tǒng)發(fā)生關(guān)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(xiàn)了。TLR27屬于家族1,在進化樹上與TLR14/18和TLR25聚成一簇。模塊預(yù)測顯示TLR27的胞外域含有19個LRR模塊。對胞外域模建結(jié)構(gòu)的分析表明,TLR27具有三域型架構(gòu)。中央亞結(jié)構(gòu)域凹面保守天冬酰胺的缺失導(dǎo)致TLR27胞外域產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn),進而在中央亞結(jié)構(gòu)域和C-末端亞結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中的這個疏水口袋結(jié)合疏水配體,進而識別并應(yīng)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(xiàn)經(jīng)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(guān)的蛋白酶裂解而導(dǎo)致激活。目前對具有獨特激活機制的TLR15的結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)。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(xiàn)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(guān)鍵靶點。此外,蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)對接分析表明TLR15的胞內(nèi)TIR結(jié)構(gòu)域可以形成同源二聚體,預(yù)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(jīng)受純凈選擇作用,但我們?nèi)匀辉赥LR15中檢測到了27個顯著受正選擇作用的位點,并且發(fā)現(xiàn)其中24個位于胞外域中�？傊�,以上這些發(fā)現(xiàn)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(yù)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(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：Q953

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