三种病原体感染对泥鳅TCR及其相关通路基因表达的影响

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泥鳅(Misgurnus anguillicaudatus)是我国常见的小型经济鱼类。在人工养殖过程中,水中的病原体引起的疾病对泥鳅养殖造成了严重威胁。T细胞受体(TCR)是T细胞表面的特异性受体,在识别和呈递抗原以及激活免疫应答等过程中发挥重要作用。迄今为止,TCRα和TCRβ在病原体感染硬骨鱼中发挥的作用知之甚少。本研究分别用柱状黄杆菌(Flavobacterium columnare)、小瓜虫(Ichthyophthirius multifiliis)和水霉(Saprolegnia)感染泥鳅,分析三种类型病原体感染后泥鳅皮肤、鳃等的组织学变化,以及脾脏、肾脏、皮肤、鳃等重要免疫组织中TCRα和TCRβ的表达水平变化,并通过转录组测序研究三类病原体感染对泥鳅TCR相关通路基因表达水平的影响,进而探讨TCR是如何应对三类病原体感染以发挥免疫功能的。本研究的主要结果如下:1.克隆获得了泥鳅的TCRα和TCRβ基因,并分析了基因结构及时空表达特点:(1)泥鳅的TCRα和TCRβ的c DNA序列全长分别为859 bp和1127 bp,分别编码241和293个氨基酸;(2)泥鳅TCRα和TCRβ均具有典型的TCR结构域,即信号肽(Signal peptide)、免疫球蛋白区(Ig V、Ig C)、连接肽(CPS)、跨膜区(TM)和胞质区(CYT);(3)系统进化分析显示,泥鳅TCRα和TCRβ与鲤的亲缘关系最近;(4)TCRα和TCRβ均在脾脏、肾脏和鳃等13个组织中广泛表达;各组织中TCRα的表达水平均明显高于TCRβ;在胚胎、仔鱼期等早期发育过程中TCRα和TCRβ均有表达,且两者随胚胎发育过程的表达水平变化趋势一致。2.构建了柱状黄杆菌感染泥鳅的实验模型:(1)组织病理结果显示,柱状黄杆菌感染后,泥鳅皮肤中黏液细胞明显增加,表皮层增厚,鳃小片变短、但宽度增加;(2)q RT-PCR结果显示,TCRα和TCRβ在脾脏、肾脏、皮肤、鳃中的表达水平在感染后3 d均显著上调并达到峰值,在4 d维持在较高水平,随后逐渐下降;各组织中TCRα的表达水平远高于TCRβ的表达水平;(3)基于转录组测序的KEGG分析发现,与信号传导、免疫系统、免疫疾病、传染病相关的通路显著富集,其中,脾脏的差异基因占比为23.1%(3/13)、肾脏没有富集到差异基因、皮肤的差异基因占比为90.0%(9/10)、鳃的占比为60.3%(32/53)。TCR信号通路相关基因分析发现,上游基因MHCⅡβ和CD4在脾脏中上调,随后将信号传递至肾脏使TCRα和TCRβ上调,激活TCR早期信号活化因子ZAP70、GADS、LCK和SLP-76,进而使TCR下游Ras-MAPK通路基因Ras、Raf、MEK2a和Erk等递呈式上调,同时,TLR4和TLR5b协同TCR识别病原并激活转录因子c-FOS上调,活化促炎细胞因子IL-1β、IL-8和CXCL10等上调并产生炎症,IL-17F在皮肤中上调促使皮肤和鳃出现组织损伤。3.构建了小瓜虫感染泥鳅的实验模型:(1)组织病理结果显示,小瓜虫感染泥鳅后皮肤和鳃中均能观察到小瓜虫滋养体;(2)q RT-PCR结果显示,TCRα和TCRβ在脾脏、肾脏、皮肤和鳃中的表达变化趋势差异较大,值得注意的是,TCRα和TCRβ在脾脏中的表达水平在感染后21 d显著上调,且各组织中TCRα的表达水平高于TCRβ的表达水平;(3)基于转录组测序的KEGG分析发现,与信号传导、免疫系统、免疫疾病、传染病相关的通路显著富集,其中脾脏的差异基因占比为6.5%(3/46)、肾脏的差异基因占比为22.2%(8/36)、皮肤的差异基因占比为23.8%(5/21)、鳃的占比为53.7%(29/54)。TCR信号通路相关基因分析发现,上游基因MHCⅡβ和CD4在肾脏中上调,随后将信号传递至脾脏使TCRα和TCRβ上调,激活肾脏TCR早期信号活化因子ZAP70、GADS、LCK和SLP-76,进而使TCR下游PI3K-Akt通路基因PI3K和Akt上调,同时,TLR4和TLR5b协同TCR识别病原并激活转录因子NF-κB上调,活化促炎细胞因子IL-1β和抗炎细胞因子TGF-β1等上调产生炎症,IL-17F上调促使皮肤和鳃出现组织损伤。4.构建了水霉感染泥鳅的实验模型:(1)肉眼可见泥鳅皮肤表面覆盖白色絮状菌丝,显微镜下观察菌丝生活周期确定为水霉;(2)q RT-PCR结果显示,TCRα和TCRβ在脾脏、肾脏、皮肤和鳃中的表达变化趋势差异较大,其中,TCRα和TCRβ在鳃中的表达水平分别在感染后14 d和21 d显著上调,并且各组织中TCRβ的表达水平高于TCRα的表达水平;(3)基于转录组测序的KEGG分析发现,与信号传导、免疫系统、免疫疾病、传染病相关的通路显著富集,其中,脾脏的差异基因占比为23.9%(11/46)、肾脏的差异基因占比为20.8%(5/24)、皮肤的差异基因占比为10.8%(4/37)、鳃的占比为30.8%(12/39)。TCR信号通路相关基因分析发现,上游基因MHCⅡβ和CD4在脾脏中下调,随后将信号传递至肾脏使TCRα和TCRβ上调,激活TCR早期信号活化因子ZAP70、GADS和SLP-76,进而使TCR下游Ras-MAPK通路基因Ras GRP1、Ras、MEK2b和Erk等递呈式上调,同时,TLR5b协同TCR识别病原并激活转录因子c-FOS上调,活化促炎细胞因子IL-1β和IL-8等上调产生炎症,同时IL-17F下调促使皮肤出现组织损伤。
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