王利平 苑夢(mèng)雅 劉相瑩

摘要：SLC11A1基因與許多種胞內(nèi)病原菌如沙門(mén)氏桿菌、結(jié)核分枝桿菌和利什曼原蟲(chóng)等病原菌的抗性和易感性有關(guān)，作為牛綜合抗病的優(yōu)良候選基因之一，它對(duì)于疾病的抵抗性是屬于非病原特異性的。綜述SLC11A1基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、作用機(jī)制、表達(dá)調(diào)控，重點(diǎn)綜述牛和其他不同物種SLC11A1基因結(jié)構(gòu)多態(tài)與疾病的相關(guān)性，有望對(duì)牛的抗病育種提出理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：SLC11A1基因;結(jié)構(gòu)特征;作用機(jī)制;疾病抗性;易感性

中圖分類號(hào)： S858.23 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）07-0001-04

抗病或感病是指動(dòng)物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中受到各種病原物侵襲時(shí)的表現(xiàn)。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)篩選鑒定抗病相關(guān)基因及其分子標(biāo)記的方式，培育出抗病力較強(qiáng)的畜禽品種，從而達(dá)到提高當(dāng)下畜牧生產(chǎn)水平的目的。溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族是一類膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，也是一類pH值依賴性二價(jià)陽(yáng)離子反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，鑒于其亞細(xì)胞位于巨噬細(xì)胞靜止晚期細(xì)胞內(nèi)腔，因此會(huì)伴隨著巨噬細(xì)胞吞噬病原體之后轉(zhuǎn)移到吞噬體膜[1-3]。該家族包括SLC11A1和SLC11A2共2類[4]。SLC11A1基因比較保守，主要在免疫系統(tǒng)組織器的巨噬細(xì)胞、血液外周白細(xì)胞、嗜中性粒細(xì)胞以及脾臟、肺臟中表達(dá)，影響動(dòng)物的天然免疫。最近，西北農(nóng)林科技大學(xué)的張涌教授團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用基因打靶編輯技術(shù)把SLC11A1基因插入牛的胎兒成纖維細(xì)胞，通過(guò)體細(xì)胞轉(zhuǎn)移，最終得到對(duì)結(jié)核桿菌病具有較強(qiáng)抵抗力的轉(zhuǎn)基因牛，又一次證明了SLC11A1基因在抗病育種中是一個(gè)良好的候選基因[5-6]。

1 溶質(zhì)載體轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族基因SLC11A1的發(fā)現(xiàn)

溶質(zhì)載體轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族11成員1（Solute carrier family 11 member 1：SLC11A1），又名天然抗性相關(guān)巨噬細(xì)胞蛋白1基因（natural resistance associated macrophage protein 1，NRAMP1），最初在小鼠中發(fā)現(xiàn)并被克隆。Ity、Lsh和Bcg[7]也是該基因的名稱，來(lái)源于該基因能夠控制早期感染的鼠傷寒沙門(mén)氏菌（Salmonella typhimurium）、杜氏利氏曼菌（Leishmaniadonovani）以及與之相關(guān)的各種分枝桿菌包括牛分枝桿菌（Mycobacterium bovis）、麻風(fēng)分枝桿菌（Mycobacterium lepraemurium）。

2 溶質(zhì)載體轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族基因SLC11A1的功能

盡管關(guān)于SLC11A1基因作用機(jī)制的研究尚未有一致結(jié)論，但以下5個(gè)方面已經(jīng)基本達(dá)成共識(shí)（圖1）：（1）SLC11A1基因把溶酶體的金屬離子耗盡之后發(fā)揮作用，導(dǎo)致被吞噬的胞內(nèi)病原體缺乏繁殖所必需的鎂、鐵和其他金屬離子[8];（2）巨噬細(xì)胞中的“多向性效應(yīng)”可在吞噬體單向轉(zhuǎn)運(yùn)二價(jià)金屬離子時(shí)被激活，包括抗原遞呈、蛋白激酶C產(chǎn)生、NO產(chǎn)生等功能的上調(diào)，其中脂多糖增多、IFN-γ（γ-干擾素）、TNF-α（腫瘤壞死因子-α）、IL-1β（白細(xì)胞介素1β）表達(dá)增強(qiáng)，皆是引起上調(diào)作用的刺激因子[9-10]。（3）細(xì)菌被吞噬細(xì)胞內(nèi)吞后，F(xiàn)e2+等金屬離子作為輔助因子能夠合成自身的防御酶系來(lái)抗衡內(nèi)吞小體產(chǎn)生的活性氧或氮的中間產(chǎn)物NO和NO2等，這些金屬離子可以被SLC11A1基因運(yùn)出內(nèi)吞小體造成細(xì)菌無(wú)法合成防御酶系，因此活性氧可以殺死細(xì)菌[11];（4）鐵離子能通過(guò)SLC11A1基因轉(zhuǎn)運(yùn)到吞噬體，參與Fenton（芬頓）和Haber-Weiss（哈伯·韋斯）反應(yīng)，產(chǎn)出大量活性離子殺滅微生物[12];（5）SLC11A1基因受到金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因Fpn1、Dmt1和TfR的表達(dá)調(diào)控的影響，胞內(nèi)金屬離子的濃度降低，病原微生物的生長(zhǎng)受到限制，有利于誘生型一氧化氮合酶（iNOS）的轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)生更多的活性氧來(lái)發(fā)揮抗病作用[13-14]。

3 多物種SLC11A1基因多態(tài)對(duì)疾病易感性和抗性的關(guān)聯(lián)

早期研究表明，SLC11A1基因具有控制鼠傷寒沙門(mén)氏菌[15]、杜氏利氏曼菌[16]以及各種分支桿菌包括麻風(fēng)分支桿菌、牛分支桿菌早期感染的功能[17-18]。SLC11A1基因多態(tài)與抗病性在人及多種動(dòng)物（豬、家禽等）上有大量報(bào)道，相對(duì)應(yīng)的疾病有傷寒病、結(jié)核病、乳腺炎、布氏桿菌病、大腸桿菌病等[19-22]。

3.1 小鼠SLC11A1基因蛋白產(chǎn)物與抗病性的關(guān)聯(lián)

在小鼠巨噬細(xì)胞中，SLC11A1基因表達(dá)通過(guò)含有LAMP1蛋白的溶酶體可被快迅速轉(zhuǎn)移到含有活體細(xì)菌（如沙門(mén)氏菌等胞內(nèi)病原微生物）的吞噬小體中發(fā)揮作用[23-24]。通過(guò)基因缺失、體外及轉(zhuǎn)基因鼠體內(nèi)等不同試驗(yàn)表明，SLC11A1基因與

小鼠對(duì)沙門(mén)氏傷寒菌、結(jié)核桿菌、利什曼菌、大腸桿菌等胞內(nèi)病原微生物的抗性和易感性相關(guān)[8，24-25]。Vidal等在小鼠對(duì)病原微生物的抗性和易感性研究中發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榛蛲蛔儗?dǎo)致SLC11A1基因功能喪失的小鼠早期感染時(shí)表現(xiàn)為免疫力降低，在感染后期免疫功能得到恢復(fù)，這一現(xiàn)象證明了SLC11A1基因在巨噬細(xì)胞與病原微生物相互作用的早期免疫階段發(fā)揮著重要作用[8]。

3.2 人SLC11A1基因變異與疾病的關(guān)聯(lián)

與人結(jié)核病相關(guān)的SLC11A1基因的3個(gè)多態(tài)位點(diǎn)已被發(fā)現(xiàn)，分別為3′非編碼區(qū)（3′UTR）的TGTG缺失、第543密碼子位點(diǎn)的單堿基轉(zhuǎn)換（D543N）、內(nèi)含子4的G→C點(diǎn)突變。韓國(guó)肺結(jié)核患者與SLC11A1的3′UTR多態(tài)性顯著相關(guān)[26]。SLC11A1內(nèi)含子4的點(diǎn)突變和3′UTR區(qū)域多態(tài)性與人結(jié)核性胸膜炎緊密相關(guān)[27]。對(duì)我國(guó)漢族結(jié)核病人群的研究發(fā)現(xiàn)，痰涂片檢測(cè)陽(yáng)性的結(jié)核均與SLC11A1基因INT4和D543N位點(diǎn)多態(tài)性顯著相關(guān)，雜合子個(gè)體較純合子個(gè)體感染結(jié)核病的概率更高。由于漢族人3′UTR區(qū)域的TGTG缺失基因頻率明顯高于白種人，因此部分漢族人相比白種人更容易患結(jié)核病[28]。另有報(bào)道SLC11A1基因多態(tài)性與非結(jié)核性分枝桿菌肺病易感性存在相關(guān)性[29]。在我國(guó)北方漢族人肺結(jié)核成人患者的研究中也表明，D543N與3′UTR位點(diǎn)多態(tài)性可能是肺結(jié)核易感的原因[30-31]。人SLC11A1基因可能與鳥(niǎo)型分枝桿菌復(fù)合感染易感性有關(guān)，通過(guò)基因分型發(fā)現(xiàn)患者中D543N和3′UTR區(qū)域2個(gè)位點(diǎn)雜合子相對(duì)較多[32]。研究人的SLC11A1基因啟動(dòng)子區(qū)還發(fā)現(xiàn)了（GT）n微衛(wèi)星的多態(tài)性位點(diǎn)，并認(rèn)為它們可通過(guò)影響DNA的構(gòu)象來(lái)影響基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)水平[33]。

3.3 雞SLC11A1基因多態(tài)與疾病的關(guān)聯(lián)

Hu等對(duì)雞SLC11A1基因與沙門(mén)氏傷寒菌感染的關(guān)聯(lián)進(jìn)行研究，SLC11A1基因在易感系雞的編碼區(qū)存在11處突變，其中有3處是有益突變，而位于第69位（Arg→G1n）的突變只在傷寒沙門(mén)氏菌感染易感雞群中發(fā)現(xiàn)[34]。Girard-Santosuosso等對(duì)L2血清型的雞（312只）和13周齡的商品雞（373只）進(jìn)行研究，將腸炎沙門(mén)氏菌靜脈注射進(jìn)這些雞體內(nèi)，試驗(yàn)人員在3 d后分別對(duì)生殖器官、肝臟和脾臟含沙門(mén)氏菌的數(shù)量進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果顯示，商品代雞SLC11A1基因的遺傳多態(tài)性引起內(nèi)臟組織對(duì)腸炎沙門(mén)氏菌的抵抗力有遺傳上的差異[35]。Liu等在雞SLC11A1基因組水平上發(fā)現(xiàn)了37處SNPs（單核苷酸多態(tài)），并在2種來(lái)航雞的雜交后代公雞中發(fā)現(xiàn)，SLC11A1基因的SNPs與接種雞腸炎沙門(mén)氏（SE）疫苗后的抗體水平顯著相關(guān)（P<0.05）;在公雞的后代中，SLC11A1基因的SNPs突變數(shù)量與脾臟的細(xì)菌附著量顯著相關(guān)（P<005）。研究表明，SLC11A1基因高度保守區(qū)SNPs的多態(tài)與青年雞接種SE疫苗及病原致病菌攻擊后的免疫反應(yīng)有相關(guān)性[36]。胡國(guó)順等分析2個(gè)雞種SLC11A1基因的SNPs與免疫性狀的相關(guān)性，在如皋雞和隱性白羽雞SLC11A1基因的第9個(gè)外顯子處發(fā)現(xiàn)了2處突變，在2個(gè)雞品種中，經(jīng)過(guò)免疫功能和基因型的關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果顯示，BB型和AB型要顯著高于AA型的H/L（異嗜性細(xì)胞與淋巴細(xì)胞比率），而AA型的淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化率和IgM含量顯著高于BB型，說(shuō)明該基因與免疫抗病性關(guān)聯(lián)，可以作為抗病育種的一個(gè)優(yōu)秀候選基因[37]。

3.4 豬SLC11A1基因多態(tài)與疾病的關(guān)聯(lián)

吳宏梅等采用PCR-RFLP方法分析了松遼黑豬和大白豬中SLC11A1基因多態(tài)位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)所研究的2個(gè)品種豬SLC11A1基因位于第6內(nèi)含子的NdeⅠ酶切片段多態(tài)變異和豬中性粒細(xì)胞還原力與單核細(xì)胞的細(xì)胞毒作用百分率之間顯著相關(guān)[38]。劉艷冬等研究了香豬SLC11A1基因多態(tài)性與仔豬腹瀉的關(guān)系，基因型與腹瀉指數(shù)結(jié)果表明，不同品種豬表現(xiàn)出多態(tài)性不一，SLC11A1基因第6內(nèi)含子區(qū)的變異影響免疫功能[39]。以上研究結(jié)果認(rèn)為，豬的免疫功能受到SLC11A1基因遺傳多態(tài)性的影響，在豬分子抗病育種方面能夠起到一個(gè)主要候選基因的作用。

3.5 綿羊和山羊SLC11A1基因多態(tài)與疾病易感性和抗性的關(guān)聯(lián)

Matthews等研究發(fā)現(xiàn)，綿羊SLC11A1基因多態(tài)性與傷寒沙門(mén)氏菌易感性和抗性有關(guān)[40]。Worley等研究山羊SLC11A1基因外顯子10編碼的蛋白質(zhì)表明，在第7和第8個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域之間有2個(gè)糖基化位點(diǎn)，其中1個(gè)糖基化位點(diǎn)在多數(shù)反芻動(dòng)物中是高度保守的，由第10外顯子的第16～24個(gè)堿基編碼，另1個(gè)糖基化位點(diǎn)在山羊和綿羊中這部分序列相似，與牛、野牛及赤鹿都有很大差異，由第58～66個(gè)堿基編碼。這些序列的保守性暗示了它在維持巨噬細(xì)胞和維護(hù)機(jī)體功能上的重要作用[41]。

3.6 狗SLC11A1基因與疾病易感性和抗性的關(guān)聯(lián)

Altet等發(fā)現(xiàn)狗的SLC11A1基因序列與狗對(duì)利什曼原蟲(chóng)是否易感有關(guān)，發(fā)現(xiàn)的2處突變是在易感狗的SLC11A1基因序列中：外顯子11處的完全缺失和啟動(dòng)子處富集G區(qū)[42]。Sanchez-Robert等對(duì)犬SLC11A1基因的研究發(fā)現(xiàn)，單倍型TAG-8-141與利什曼原蟲(chóng)易感性有關(guān)[43]。

4 牛SLC11A1基因的變異及其功能

4.1 牛SLC11A1基因的結(jié)構(gòu)與變異

Feng等首次報(bào)道牛SLC11A1基因全長(zhǎng)為10 925 bp，開(kāi)放閱讀框長(zhǎng)1 647 bp，含有15個(gè)外顯子，編碼548個(gè)氨基酸;SLC11A1的氨基N端和羧基C端都位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，在跨膜區(qū)（TMD）7和TMD8區(qū)域的細(xì)胞質(zhì)外有1個(gè)糖基化位點(diǎn)，呈現(xiàn)環(huán)狀結(jié)構(gòu)（loop），在TMD8和TMD9之間細(xì)胞質(zhì)內(nèi)含有1個(gè)由20個(gè)氨基酸組成的離子轉(zhuǎn)運(yùn)基序（圖2），在不同物種間這個(gè)離子轉(zhuǎn)運(yùn)基序高度保守[19]。SLC11A1蛋白N端含有多個(gè)磷酸化位點(diǎn)和SH3（Src基因同源性構(gòu)域）結(jié)合位點(diǎn)。多態(tài)性研究發(fā)現(xiàn)，不同品種家養(yǎng)牛和水牛SLC11A1基因第4、5內(nèi)含子和第5外顯子分別有2、10、3個(gè)堿基點(diǎn)突變[21]。Xiao等報(bào)道，牛SLC11A1蛋白含有12個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域[44]。

4.2 牛SLC11A1基因結(jié)構(gòu)多態(tài)性與疾病的關(guān)聯(lián)

對(duì)奶牛的研究發(fā)現(xiàn)，3′UTR有微衛(wèi)星位點(diǎn)GT重復(fù)多態(tài)性，其中（GT）14純合子、雜合子（GT）13/（GT）14、（GT）13/（GT）15基因型具有遺傳易感性[45]，且（GT）13純合子基因型含有布氏桿菌遺傳抗性。有研究對(duì)荷斯坦奶牛與瘤?；蚪M進(jìn)行比較表明，布魯氏菌的抗性和敏感性受不同基因型影響差異顯著，造成這些差異的原因是荷斯坦牛及瘤牛SLC11A1基因3′UTR區(qū)基因序列的遺傳多態(tài)性[20]。有研究從感染牛結(jié)核分枝桿菌的牛群中取樣，檢測(cè)SLC11A1基因表達(dá)量，發(fā)現(xiàn)病畜SLC11A1基因表達(dá)量較健康牛表達(dá)量顯著升高[46]。水牛SLC11A1基因3′UTR位點(diǎn)的多態(tài)性和布魯氏菌易感性有關(guān)，在2007年被Capparelli等發(fā)現(xiàn)，并揭示出抗性型水牛中巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞SLC11A1的表達(dá)量顯著高于敏感型水牛[47]。Ganguly等證實(shí)水牛SLC11A1基因3′UTR區(qū)GT重復(fù)多態(tài)與結(jié)核桿菌的抗性有關(guān)[48]。郭洋等研究了771頭中國(guó)荷斯坦牛SLC11A1基因第10外顯子、第9和第11內(nèi)含子的多態(tài)性，發(fā)現(xiàn)不連鎖的4個(gè)SNPs分別為內(nèi)含子9的6067（A/G）、6358（C/T），外顯子10的7155（A/G）和內(nèi)含子11的7809（A/T）;其中，6067（A/G）、6358（C/T）和7809（A/T）為新SNPs[49]。乳腺炎的發(fā)病率和不同基因型的關(guān)聯(lián)性分析表明，SLC11A1基因的6358（C/T）和7155（A/G）對(duì)體細(xì)胞數(shù)和產(chǎn)奶量有顯著影響（P<0.05），初步證明這2個(gè)基因型是對(duì)疾病抗性比較優(yōu)良的基因型;單倍型分析結(jié)果表明，群體中共有16種單倍型的隨機(jī)組合，CAAA單倍型組合被初步確定是較優(yōu)良的單倍型，含有此單倍型的個(gè)體體細(xì)胞數(shù)低、產(chǎn)奶量高，可在奶牛乳腺炎的抗病育種篩選中作為候選基因標(biāo)記[49]。Nam等應(yīng)用定量PCR（RT-PCR）方法研究奶牛乳腺炎抗性與易感牛群外周血單核細(xì)胞中SLC11A1基因mRNA表達(dá)的不同，第1次報(bào)道出乳房炎抗性牛群SLC11A1基因mRNA的表達(dá)高于易感性牛群，乳腺炎高抗性?？梢罁?jù)這種差異被篩選出來(lái)[50]。

Bagheri等研究了135頭荷斯坦奶牛的SLC11A1基因結(jié)構(gòu)和基因型的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)該基因外顯子11上有1個(gè)位點(diǎn)突變，這個(gè)點(diǎn)突變構(gòu)成的3個(gè)基因型都與荷斯坦奶牛的乳腺炎發(fā)病率顯著相關(guān)，此結(jié)果表明SLC11A1基因是一個(gè)與乳腺炎相關(guān)的抗病基因[51]。

Liu等在云南奶牛SLC11A1基因克隆及其抗結(jié)核的關(guān)聯(lián)研究中確認(rèn)了該基因編碼蛋白抗結(jié)核的效果，通過(guò)克隆全部15個(gè)外顯子和14個(gè)內(nèi)含子，分析136頭感染結(jié)核桿菌的荷斯坦牛和96頭未感染結(jié)核桿菌牛SLC11A1基因的多態(tài)，研究表明，SLC11A1基因的多態(tài)變異和結(jié)核桿菌發(fā)病率顯著相關(guān)[22]。

最近，西北農(nóng)林科技大學(xué)的張涌教授團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用基因打靶編輯技術(shù)把SLC11A1基因插入牛的胎兒成纖維細(xì)胞，通過(guò)體細(xì)胞轉(zhuǎn)移，最終得到對(duì)結(jié)核桿菌病具有較強(qiáng)抵抗力的轉(zhuǎn)基因牛[6]，進(jìn)一步表明SLC11A1基因是抗病育種研究中的一個(gè)重要候選基因。

5 展望

通過(guò)對(duì)小鼠、豬、雞、人、牛的研究系統(tǒng)表明，溶質(zhì)載體轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族基因SLC11A1與結(jié)核桿菌、大腸桿菌等細(xì)菌抗性或易感性有關(guān)。SLC11A1基因比較保守，主要在肺臟、脾臟、血液外周白細(xì)胞等以及嗜中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中表達(dá)，對(duì)動(dòng)物的先天性免疫存在一定影響，對(duì)疾病的抗性具有非病原特異性，因此可以作為牛綜合抗病的良好候選基因之一。

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