中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海所科學(xué)家 揭示脊椎動物適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的演化特征

　　9月3日，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所海洋漁業(yè)生物遺傳資源評價與合成利用創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)布了“數(shù)字種源”計劃關(guān)于水產(chǎn)種質(zhì)資源多樣性與重要性狀演化機(jī)制方面的首期成果。該成果以兩篇研究長文形式在國際著名期刊《自然·通訊》（Nature Communications）背靠背發(fā)表，深入探討了脊椎動物淋巴細(xì)胞譜系的演化特征。兩篇文章題目分別為：“Discovery of an unconventional lamprey lymphocyte lineage highlights divergent features in vertebrate adaptive immune system evolution”和“Single-cell RNA sequencing illuminates the ontogeny, conservation and diversification of cartilaginous and bony fish lymphocytes”。這兩項研究分別解析了無頜類與有頜類脊椎動物，以及軟骨魚與硬骨魚之間，淋巴細(xì)胞譜系的保守性以及差異的進(jìn)化特征，為理解適應(yīng)性免疫系統(tǒng)進(jìn)化提供了新的視角。

 

　　適應(yīng)性免疫系統(tǒng)出現(xiàn)在大約5億年前脊椎動物的共同祖先中，隨后在無頜和有頜類脊椎動物中獨(dú)立演化，形成了能夠產(chǎn)生相似適應(yīng)性免疫反應(yīng)的兩種系統(tǒng)。無頜脊椎動物，如七鰓鰻和盲鰻，它們的適應(yīng)性免疫反應(yīng)依賴于一種獨(dú)特的可變淋巴細(xì)胞受體（VLRs），而有頜脊椎動物則發(fā)展出基于T細(xì)胞受體（TCRs）、B細(xì)胞受體（BCRs）和主要組織相容性復(fù)合體（MHC）的抗原識別系統(tǒng)。VLRs與有頜脊椎動物的BCRs和TCRs在結(jié)構(gòu)上并不相似，但它們能夠執(zhí)行類似的功能，即識別并結(jié)合抗原，繼而產(chǎn)生相應(yīng)的細(xì)胞和體液免疫反應(yīng)。淋巴細(xì)胞是介導(dǎo)適應(yīng)性免疫反應(yīng)的特定單元，具有識別、記憶和防御病原體的能力。隨著脊椎動物演化的深入，淋巴細(xì)胞的功能變得更加復(fù)雜，展現(xiàn)出令人驚嘆的多樣性。盡管如此，我們對早期淋巴細(xì)胞譜系的演化細(xì)節(jié)，尤其是低等物種中的免疫細(xì)胞及其分子特征，仍然知之甚少。通過跨物種的細(xì)胞水平研究，研究人員逐步揭開了這些古老免疫機(jī)制的神秘面紗，進(jìn)一步加深了對適應(yīng)性免疫系統(tǒng)演化過程的理解。

 

　　雖然無頜脊椎動物發(fā)展出了與有頜脊椎動物不同的淋巴細(xì)胞受體多樣化機(jī)制，但兩個譜系的適應(yīng)性免疫反應(yīng)特征卻出奇地相似。七鰓鰻VLRB基因編碼分泌型蛋白，僅在類似于有頜脊椎動物B細(xì)胞的VLRB細(xì)胞群體中表達(dá)，介導(dǎo)體液免疫反應(yīng)。而VLRA和VLRC基因在兩種不同的T樣淋巴細(xì)胞譜系中表達(dá)，類似于有頜脊椎動物中的αβ-T細(xì)胞和γδ-T細(xì)胞。關(guān)于有頜脊椎動物的淋巴細(xì)胞譜系分化以及功能群體已有非常深入的研究，但對無頜脊椎動物淋巴細(xì)胞樣細(xì)胞譜系的理解仍處于初步階段。

 

　　研究團(tuán)隊繪制了東北七鰓鰻的免疫組織細(xì)胞圖譜，鑒定了包括T-like cell和B-like cell在內(nèi)的多種免疫細(xì)胞類型。進(jìn)一步對淋巴樣細(xì)胞亞群進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了一種特異表達(dá)MPL-like的T樣細(xì)胞亞群，這種細(xì)胞在腸道和血液大量富集，表達(dá)造血相關(guān)基因，與其他T樣細(xì)胞亞型存在顯著異質(zhì)性。血小板生成素受體（MPL）是有頜脊椎動物中的一種非淋巴系造血生長因子受體，參與造血干細(xì)胞自我更新和巨核細(xì)胞分化。研究表明，TPO-MPL信號傳導(dǎo)途徑與T細(xì)胞活化的信號傳導(dǎo)途徑有所重疊，這意味著MPL不僅在造血過程中發(fā)揮作用，還可能參與無頜類脊椎動物的適應(yīng)性免疫反應(yīng)。

 

　　研究人員進(jìn)一步探究了MPL-L+ T樣細(xì)胞的功能特性和進(jìn)化特征。研究發(fā)現(xiàn)，MPL-L+ T樣細(xì)胞是無頜脊椎動物適應(yīng)性免疫系統(tǒng)中的一個獨(dú)特群體，這些細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄特征與傳統(tǒng)的T細(xì)胞不同，并且能夠在一定程度上響應(yīng)頜骨動物T細(xì)胞有絲分裂原和重組人血小板生成素（rhTPO）而增殖。

 

　　此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)MPL-L+ T樣細(xì)胞在鰓，腸道和血液中表現(xiàn)出明顯的轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性，并揭示MPL-L+ T樣細(xì)胞內(nèi)可能存在基于MPL-JAK2/STAT5B的信號傳導(dǎo)系統(tǒng)，該信號對腸道MPL-L+ T樣細(xì)胞的發(fā)育或激活具有潛在的調(diào)控作用。

 

　　這項研究不僅為理解七鰓鰻適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的復(fù)雜性提供了新的視角，也為探索適應(yīng)性免疫的進(jìn)化起源和多樣性提供了重要信息。通過對這些原始脊椎動物免疫機(jī)制的研究，可以更好地理解免疫系統(tǒng)的演化歷程，以及不同生物之間在免疫策略上的共性和差異。

 

　　基于B細(xì)胞受體（BCRs）、T細(xì)胞受體（TCRs）和主要組織相容性復(fù)合體（MHC）的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)是有頜脊椎動物的共同特征。不同物種中，適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的基本特征相對保守，但在細(xì)胞和分子水平，仍具有一定的物種特異性。軟骨魚類是具有適應(yīng)性免疫最古老的有頜脊椎動物之一，具有區(qū)別于硬骨魚的適應(yīng)性免疫的分子基礎(chǔ)。例如在軟骨魚中具有兩種常規(guī)免疫球蛋白類別（即IgM和IgW），以及一種特異性Ig新抗原受體（IgNAR），表明在軟骨魚中適應(yīng)性免疫具有不同的轉(zhuǎn)錄特征和調(diào)控機(jī)制。雖然基因組和進(jìn)化分析為研究關(guān)鍵免疫基因的進(jìn)化提供了重要見解，但不同物種的細(xì)胞類型構(gòu)成以及不同細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄特征仍然不清楚。將軟骨魚類與其他物種，特別是硬骨魚類進(jìn)行比較，對于揭示適應(yīng)性免疫的共同祖先和進(jìn)化特征至關(guān)重要。

 

　　研究人員首先構(gòu)建了軟骨魚（條紋斑竹鯊）和兩種硬骨魚（半滑舌鰨和斑馬魚）肝、脾和腎（頭腎）等多種免疫組織的單細(xì)胞圖譜，系統(tǒng)地表征了這些物種免疫系統(tǒng)的細(xì)胞類型結(jié)構(gòu)和免疫細(xì)胞的基因表達(dá)模式。通過跨物種譜系構(gòu)建和跨物種比較分析，發(fā)現(xiàn)不同物種的相同細(xì)胞類型表現(xiàn)出相似的轉(zhuǎn)錄譜，其中，淋巴細(xì)胞中的直系同源基因表達(dá)模式具有較高的保守性。

 

　　進(jìn)一步對B細(xì)胞亞型鑒定分析，研究發(fā)現(xiàn)軟骨魚和硬骨魚具有相同的B細(xì)胞亞群，而且不同物種相同亞群具有較高相似性。在軟骨魚中，發(fā)現(xiàn)部分B細(xì)胞具有吞噬功能，進(jìn)一步通過熒光微球吞噬實(shí)驗(yàn)結(jié)合共聚焦和流式細(xì)胞分析，明確了軟骨魚B細(xì)胞的吞噬功能。對T細(xì)胞亞群進(jìn)行分析，不僅鑒定了潛在的CD4+T細(xì)胞亞群，還意外發(fā)現(xiàn)了一個同時表達(dá)T細(xì)胞與B細(xì)胞標(biāo)記基因的細(xì)胞亞群。

 

　　本研究在單細(xì)胞水平上揭示了軟骨魚和硬骨魚免疫系統(tǒng)的細(xì)胞架構(gòu)，不僅深化了我們對軟骨魚和硬骨魚適應(yīng)性免疫系統(tǒng)差異與聯(lián)系的理解，更為揭示適應(yīng)性免疫共同祖先和進(jìn)化特征提供了重要數(shù)據(jù)與理論支持。

 

　　綜上所述，這兩項研究分別揭示了無頜和有頜脊椎動物，以及軟骨魚和硬骨魚在適應(yīng)性免疫機(jī)制上的保守特征，同時強(qiáng)調(diào)了跨物種淋巴細(xì)胞譜系功能和分子特征的多樣性。這些發(fā)現(xiàn)為探索物種演化中免疫策略的共性和差異提供了新的視角，為比較免疫學(xué)研究提供了豐富的遺傳資源。

 

　　黃海所研究生黃英毅和劉響為“Discovery of an unconventional lamprey lymphocyte lineage highlights divergent features in vertebrate adaptive immune system evolution”論文的共同第一作者。黃海所邵長偉研究員為該論文的獨(dú)立通訊作者。黃海所助理研究員王洪巖、研究生李亞楠、張向輝和青島華大基因研究院陳建陽為“Single-cell RNA sequencing illuminates the ontogeny, conservation and diversification of cartilaginous and bony fish lymphocytes”論文的共同第一作者。黃海所邵長偉研究員和青島華大基因研究院劉姍姍研究員為該論文的共同通訊作者。本研究獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家高層次人才特殊支持計劃、山東省泰山學(xué)者特聘專家、國家基金、中國水產(chǎn)科學(xué)研究院創(chuàng)新團(tuán)隊等項目的支持。

 

　　據(jù)悉，“數(shù)字種源”計劃由邵長偉研究員于2021年依托國家海洋漁業(yè)生物種質(zhì)資源庫和國家海洋水產(chǎn)種質(zhì)資源庫發(fā)起實(shí)施，該計劃旨在建立水產(chǎn)種質(zhì)資源理論框架與技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)種質(zhì)資源的數(shù)智化管理與應(yīng)用。其中水產(chǎn)種質(zhì)資源多樣性與重要性狀演化機(jī)制作為理論研究的主要內(nèi)容，重點(diǎn)在于揭示水產(chǎn)種質(zhì)資源多樣性及人工馴化的遺傳基礎(chǔ)與演化歷程，闡明水產(chǎn)種質(zhì)資源重要性狀（免疫、性別、生長、神經(jīng)發(fā)育等）形成與演化的遺傳機(jī)制，為構(gòu)筑水產(chǎn)種質(zhì)資源理論框架體系提供關(guān)鍵支撐，為水產(chǎn)生物優(yōu)異新種質(zhì)創(chuàng)制奠定理論基礎(chǔ)。