日本七鳃鳗免疫防御相关TLR接头分子TICAM家族起源进化和功能分化研究

As one of the most ancient vertebrates alive today, lampreys are considered to be the key species to study the evolutionary origin of the vertebrate immunity system. Mammalian TICAM-1 and TICAM-2, the crucial adaptors participating in TLR signaling pathways, had been reported to play an important role in innate immunity against RNA virus infection. However, little was known about their origination and evolutionary history. The rapid advancements of comparative functional and evolutionary genomics provide unprecedented opportunities to uncover this mystery. This project aims to identify members of the TICAM gene family and their flanking regions in Lampetra japonicum. The origins of lamprey TICAM-a and TICAM-b will be investigated through comprehensive analyses of comparative genomics and molecular evolution in order to describe their molecular evolutionary history and driving forces. Furthermore, the pattern and mechanism of functional divergence following gene duplication of TICAM-a and TICAM-b will also be investigated to explore the functional evolution of antiviral pathway mediated by TICAM. Taken together, this study will not only provide new evidences in revealing the evolutionary origin of vertebrate immune system, but also provide significant guidance in promoting the development of new antiviral or anticancer drugs.

作为联系无脊椎和脊椎动物间的重要阶元，七鳃鳗是研究免疫系统起源与进化的关键物种。哺乳动物TICAM-1和TICAM-2是由Toll样受体介导的固有免疫通路中重要的接头分子，尤其在抗RNA病毒感染的防御反应中发挥了关键性作用。但是对于二者的起源进化历史还未得到全面阐述。本项目拟以日本七鳃鳗为研究对象，深度挖掘TICAM家族基因及其侧翼区段。通过比较基因组学与分子进化分析，探索七鳃鳗TICAM家族成员的起源方式，全面认识它们的分子进化历史和进化驱动力；同时，比较分析日本七鳃鳗TICAM-a和TICAM-b在TLR信号通路中的功能差异，阐明它们在重复之后的功能分化式样和分化机制，探索TICAM介导的抗病毒通路的功能进化历程。本研究不仅为深入认识脊椎动物免疫系统的功能起源进化奠定理论基础，同时也对促进抗病毒及抗肿瘤新药物的开发具有重要的实践指导意义。

哺乳动物中，TLR接头分子TICAM家族参与的信号通路是诱导产生干扰素的重要途径，也是介导固有免疫和适应性免疫交联互作的关键枢纽。但是作为抵抗病毒和细菌感染的新式武器，关于TICAM家族的起源和功能进化历史尚不明确。七鳃鳗是迄今所知最原始的无颌类脊椎动物，正处在进化出适应性免疫系统的边缘，因此成为揭示免疫系统相关分子起源进化的关键物种。本项目首先组装获得了一个高质量的、染色体级别的雷氏叉牙七鳃鳗参考基因组图谱，并在全基因组水平上深度挖掘了七鳃鳗TLR家族及其接头分子，发现七鳃鳗物种特异的基因重复在TLR家族的起源进化中发挥了重要作用。通过对七鳃鳗TICAM-a和TICAM-b的分子进化和比较基因组学研究，推测七鳃鳗TICAM-a为有颌类脊椎动物TICAM-1的祖先基因，可能通过逆转录转座作用插入到了另一条染色体区段FEM1的附近形成了单外显子结构，并招募了新的5’端侧翼序列从而演变为了TICAM-1；而TICAM-b则是由TICAM-a经七鳃鳗中一次物种特异的串联重复事件产生的，并在脊椎动物进化早期发生的第二轮全基因重复之前就已经丢失了；导致TICAM-2形成的全基因组重复可能发生在无颌类与有颌类脊椎动物分化之后。功能实验表明TICAM-a和TICAM-b已经发生了功能分化，具有不同的组织表达式样和亚细胞定位。经免疫刺激后，与TLR3类似，TICAM-a和TICAM-b均能够积极响应PolyI:C的刺激，但对LPS的刺激没有明显响应，两者可能作为TLR3的下游接头蛋白，参与了PolyI:C-TLR3介导的抗病毒通路；并且两者还可能参与到了其他TLR分子识别PGN后介导的抗革兰氏阳性菌信号通路中，并分别行使不同功能。经串联重复形成的TICAM-b并非无功能的冗余基因，而是能够与TICAM-a相互作用，通过形成功能复合物共同参与到激活下游NF-κB的免疫反应中去。综上，本项目对深刻理解无颌类脊椎动物在TLR信号通路进化过程中发挥的关键作用奠定了理论基础，也为揭示脊椎动物免疫系统，尤其是抗病毒功能的起源进化提供了新的视角。