中国水产科学研究院黄海所科学家 揭示脊椎动物适应性免疫系统的演化特征

　　9月3日，中国水产科学研究院黄海水产研究所海洋渔业生物遗传资源评价与合成利用创新团队发布了“数字种源”计划关于水产种质资源多样性与重要性状演化机制方面的首期成果。该成果以两篇研究长文形式在国际著名期刊《自然·通讯》（Nature Communications）背靠背发表，深入探讨了脊椎动物淋巴细胞谱系的演化特征。两篇文章题目分别为：“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”。这两项研究分别解析了无颌类与有颌类脊椎动物，以及软骨鱼与硬骨鱼之间，淋巴细胞谱系的保守性以及差异的进化特征，为理解适应性免疫系统进化提供了新的视角。

 

　　适应性免疫系统出现在大约5亿年前脊椎动物的共同祖先中，随后在无颌和有颌类脊椎动物中独立演化，形成了能够产生相似适应性免疫反应的两种系统。无颌脊椎动物，如七鳃鳗和盲鳗，它们的适应性免疫反应依赖于一种独特的可变淋巴细胞受体（VLRs），而有颌脊椎动物则发展出基于T细胞受体（TCRs）、B细胞受体（BCRs）和主要组织相容性复合体（MHC）的抗原识别系统。VLRs与有颌脊椎动物的BCRs和TCRs在结构上并不相似，但它们能够执行类似的功能，即识别并结合抗原，继而产生相应的细胞和体液免疫反应。淋巴细胞是介导适应性免疫反应的特定单元，具有识别、记忆和防御病原体的能力。随着脊椎动物演化的深入，淋巴细胞的功能变得更加复杂，展现出令人惊叹的多样性。尽管如此，我们对早期淋巴细胞谱系的演化细节，尤其是低等物种中的免疫细胞及其分子特征，仍然知之甚少。通过跨物种的细胞水平研究，研究人员逐步揭开了这些古老免疫机制的神秘面纱，进一步加深了对适应性免疫系统演化过程的理解。

 

　　虽然无颌脊椎动物发展出了与有颌脊椎动物不同的淋巴细胞受体多样化机制，但两个谱系的适应性免疫反应特征却出奇地相似。七鳃鳗VLRB基因编码分泌型蛋白，仅在类似于有颌脊椎动物B细胞的VLRB细胞群体中表达，介导体液免疫反应。而VLRA和VLRC基因在两种不同的T样淋巴细胞谱系中表达，类似于有颌脊椎动物中的αβ-T细胞和γδ-T细胞。关于有颌脊椎动物的淋巴细胞谱系分化以及功能群体已有非常深入的研究，但对无颌脊椎动物淋巴细胞样细胞谱系的理解仍处于初步阶段。

 

　　研究团队绘制了东北七鳃鳗的免疫组织细胞图谱，鉴定了包括T-like cell和B-like cell在内的多种免疫细胞类型。进一步对淋巴样细胞亚群进行分析，发现了一种特异表达MPL-like的T样细胞亚群，这种细胞在肠道和血液大量富集，表达造血相关基因，与其他T样细胞亚型存在显著异质性。血小板生成素受体（MPL）是有颌脊椎动物中的一种非淋巴系造血生长因子受体，参与造血干细胞自我更新和巨核细胞分化。研究表明，TPO-MPL信号传导途径与T细胞活化的信号传导途径有所重叠，这意味着MPL不仅在造血过程中发挥作用，还可能参与无颌类脊椎动物的适应性免疫反应。

 

　　研究人员进一步探究了MPL-L+ T样细胞的功能特性和进化特征。研究发现，MPL-L+ T样细胞是无颌脊椎动物适应性免疫系统中的一个独特群体，这些细胞的转录特征与传统的T细胞不同，并且能够在一定程度上响应颌骨动物T细胞有丝分裂原和重组人血小板生成素（rhTPO）而增殖。

 

　　此外，研究人员还发现MPL-L+ T样细胞在鳃，肠道和血液中表现出明显的转录异质性，并揭示MPL-L+ T样细胞内可能存在基于MPL-JAK2/STAT5B的信号传导系统，该信号对肠道MPL-L+ T样细胞的发育或激活具有潜在的调控作用。

 

　　这项研究不仅为理解七鳃鳗适应性免疫系统的复杂性提供了新的视角，也为探索适应性免疫的进化起源和多样性提供了重要信息。通过对这些原始脊椎动物免疫机制的研究，可以更好地理解免疫系统的演化历程，以及不同生物之间在免疫策略上的共性和差异。

 

　　基于B细胞受体（BCRs）、T细胞受体（TCRs）和主要组织相容性复合体（MHC）的适应性免疫系统是有颌脊椎动物的共同特征。不同物种中，适应性免疫系统的基本特征相对保守，但在细胞和分子水平，仍具有一定的物种特异性。软骨鱼类是具有适应性免疫最古老的有颌脊椎动物之一，具有区别于硬骨鱼的适应性免疫的分子基础。例如在软骨鱼中具有两种常规免疫球蛋白类别（即IgM和IgW），以及一种特异性Ig新抗原受体（IgNAR），表明在软骨鱼中适应性免疫具有不同的转录特征和调控机制。虽然基因组和进化分析为研究关键免疫基因的进化提供了重要见解，但不同物种的细胞类型构成以及不同细胞的转录特征仍然不清楚。将软骨鱼类与其他物种，特别是硬骨鱼类进行比较，对于揭示适应性免疫的共同祖先和进化特征至关重要。

 

　　研究人员首先构建了软骨鱼（条纹斑竹鲨）和两种硬骨鱼（半滑舌鳎和斑马鱼）肝、脾和肾（头肾）等多种免疫组织的单细胞图谱，系统地表征了这些物种免疫系统的细胞类型结构和免疫细胞的基因表达模式。通过跨物种谱系构建和跨物种比较分析，发现不同物种的相同细胞类型表现出相似的转录谱，其中，淋巴细胞中的直系同源基因表达模式具有较高的保守性。

 

　　进一步对B细胞亚型鉴定分析，研究发现软骨鱼和硬骨鱼具有相同的B细胞亚群，而且不同物种相同亚群具有较高相似性。在软骨鱼中，发现部分B细胞具有吞噬功能，进一步通过荧光微球吞噬实验结合共聚焦和流式细胞分析，明确了软骨鱼B细胞的吞噬功能。对T细胞亚群进行分析，不仅鉴定了潜在的CD4+T细胞亚群，还意外发现了一个同时表达T细胞与B细胞标记基因的细胞亚群。

 

　　本研究在单细胞水平上揭示了软骨鱼和硬骨鱼免疫系统的细胞架构，不仅深化了我们对软骨鱼和硬骨鱼适应性免疫系统差异与联系的理解，更为揭示适应性免疫共同祖先和进化特征提供了重要数据与理论支持。

 

　　综上所述，这两项研究分别揭示了无颌和有颌脊椎动物，以及软骨鱼和硬骨鱼在适应性免疫机制上的保守特征，同时强调了跨物种淋巴细胞谱系功能和分子特征的多样性。这些发现为探索物种演化中免疫策略的共性和差异提供了新的视角，为比较免疫学研究提供了丰富的遗传资源。

 

　　黄海所研究生黄英毅和刘响为“Discovery of an unconventional lamprey lymphocyte lineage highlights divergent features in vertebrate adaptive immune system evolution”论文的共同第一作者。黄海所邵长伟研究员为该论文的独立通讯作者。黄海所助理研究员王洪岩、研究生李亚楠、张向辉和青岛华大基因研究院陈建阳为“Single-cell RNA sequencing illuminates the ontogeny, conservation and diversification of cartilaginous and bony fish lymphocytes”论文的共同第一作者。黄海所邵长伟研究员和青岛华大基因研究院刘姗姗研究员为该论文的共同通讯作者。本研究获得国家重点研发计划项目、国家高层次人才特殊支持计划、山东省泰山学者特聘专家、国家基金、中国水产科学研究院创新团队等项目的支持。

 

　　据悉，“数字种源”计划由邵长伟研究员于2021年依托国家海洋渔业生物种质资源库和国家海洋水产种质资源库发起实施，该计划旨在建立水产种质资源理论框架与技术体系，实现水产种质资源的数智化管理与应用。其中水产种质资源多样性与重要性状演化机制作为理论研究的主要内容，重点在于揭示水产种质资源多样性及人工驯化的遗传基础与演化历程，阐明水产种质资源重要性状（免疫、性别、生长、神经发育等）形成与演化的遗传机制，为构筑水产种质资源理论框架体系提供关键支撑，为水产生物优异新种质创制奠定理论基础。