从文昌鱼化学防御系统分析、鉴定探索脊椎动物肝脏与化学防御系统起源

Liver is an organ characteristic of vertebrates, which plays a critical role in chemical defense, especially detoxification. Despite an enormous progress on the chemical defense in vertebrates, the information remains rather limited regarding the origin of vertebrate liver and chemical defensome. Amphioxus, a basal chordate, has a hepatic caecum, which has long been considered as the homologous tissue to vertebrate liver, yet the study on the chemical defensome is still lacking in amphioxus to date. Based on the similarity of hepatic caecum to liver as well as the results of previous studies, we propose that amphioxus possesses a vertebrate-like chemical defensome. Our proposal is thus to prove this hypothesis. We will carry out the following researches: 1) Genome-wide survey and prediction of chemical defense genes from available amphioxus genome, ESTs, cDNAs; 2) RNA-seq analysis of chemical defense response in hepatic caecum after amphioxus exposed to xenobiotic PCB126; 3) Analysis of the chemical defense function of amphioxus AHR protein by assay of co-immunoprecipitation and velocity sedimentation on sucrose gradients. This will certainly allow us to illuminate the evolution of chemical defense gene network, and moreover, provide evidences to support or deny the notion that amphioxus hepatic caecum is the precursor of vertebrate liver.

肝脏是脊椎动物特有器官，也是执行化学防御系统特别是生物转化和解毒作用的主要场所。关于脊椎动物肝脏和化学防御系统起源，迄今尚不十分清楚。文昌鱼肝盲囊被认为是脊椎动物肝脏同源器官，但对其化学防御系统迄今未见有研究报道。基于肝盲囊与肝脏同源性以及以前有关研究结果，我们提出“文昌鱼存在类似脊椎动物化学防御系统”这一假设。我们拟1）利用现有的文昌鱼基因组数据库、EST数据库以及cDNA数据库，全面系统预测文昌鱼的化学防御基因并进行进化分析；2）利用二代转录组测序技术，对化学物质处理后不同时间点的文昌鱼肝盲囊转录组进行测序，分析、建立文昌鱼肝盲囊中化学防御相关基因表达谱和信号通路；3）通过免疫共沉淀法和蔗糖梯度速度沉降法，研究文昌鱼AHR蛋白的化学防御功能。在此基础上揭示脊椎动物化学防御系统起源，并为肝脏起源于文昌鱼肝盲囊样组织提供更多支持或否定之证据，丰富和提升对脊椎动物化学防御系统和肝起源的认识。

化学防御系统是生物抵御环境中异生物质如多环芳烃等的重要机制。该系统包括生物转化酶（如CYP450等）、ABC转运蛋白和信号传感系统（如AhR和ARNT等）。文昌鱼作为研究脊椎动物起源的模式动物，其化学防御系统的作用机理至今仍不清楚，特别是脊椎动物AHR-CYP信号通路以及AHR蛋白作为异生物质受体的功能在系统演化是何时出现，也仍然不清楚。我们从青岛文昌鱼中克隆得到BjAhr与BjArnt基因的ORF序列。环境污染物PCB126胁迫处理青岛文昌鱼后，BjAhR、BjArnt以及生物转化酶基因cyp1、cyp3、gst和sult1a基因的表达均有显著升高，暗示这些基因参与文昌鱼的化学防御系统。ELISA实验表明青岛文昌鱼AhR功能域蛋白能够与ARNT结合，并且脊椎动物AhR的配体PCB126能够促进这两个蛋白的结合。这些实验结果暗示，文昌鱼AhR可能具有同脊椎动物AhR相似的功能，即能被配体激活并与ARNT形成异二聚体。文昌鱼中可能存在类似脊椎动物的AhR-CYP信号通路。此外，我们还利用文昌鱼基因组以及转录组数据库，通过序列比对和进化树分析，鉴别出111个文昌鱼CYP450超家族基因和40个ABC转运蛋白超家族基因。通过与模式动物比较发现，文昌鱼拥有较多的cyp2基因（56个）、abcc5基因（7个）和abcc9基因（5个），而这些基因往往参与生物体内的解毒作用，值得我们今后深入研究。这是首次对文昌鱼CYP450超家族和ABC超家族成员进行系统鉴定，为进一步了解这些基因的化学防御功能奠定了基础。