畜牧兽医论文
畜牧兽医大专毕业论文专业推荐8篇之第四篇：朊蛋白基因家族对畜牧生产的影响及预防研究
摘要：朊蛋白基因PRNP作为朊蛋白基因家族的一员， 其编码的异常朊蛋白 （prion） 导致传染性海绵样脑病 （TSEs） 的发生。PRNP基因在定位、结构、表达和编码产物上与朊蛋白基因家族其他3个基因 （PRND, PRNT和SPRN） 存在很多相似之处， 且该基因家族在不同种属之间十分保守， 朊蛋白基因家族因此被称为"朊蛋白基因复合体" （prion gene complex） .已有资料表明， 朊蛋白基因家族除了与TSEs的发生密切相关， 其还对畜牧生产和兽医预防有着重要影响。论文介绍了朊蛋白基因家族的4个基因及其编码产物， 而后依次阐述了该基因家族对畜牧生产的影响以及在兽医预防中的研究进展， 以期为畜牧生产和兽医预防提供参考。
关键词：朊蛋白基因； 朊蛋白基因家族； 传染性海绵样脑病； 畜牧生产； 兽医预防；
Abstract:
As a member of the prion gene family, the prion gene （PRNP） encodes the prion protein （prion） that causes the viral infectious disease:the transmissible spongiform encephalopathies （TSEs） .The PRNP gene has many similarities to the other three genes （PRND, PRNT and SPRN） of prion gene family, such as the localization, structure, expression and their encoding proteins, and this gene family is quite conserved among species, therefore the prion gene family is called the "prion gene complex".Numerous studies have found that the prion gene family is closely related to the transmissible spongiform encephalopathies, and it also has significant influences in livestock production and veterinary prevention.Herein, this paper introduced the prion gene family and their coding proteins, and then summarized the effects of the prion gene family in livestock production and the research progress in veterinary prevention, in order to provide new ideas for the improvement of the livestock production and the veterinary prevention.
Keyword:
prion gene （PRNP） ; prion gene family; Transmissible spongiform encephalopathies （TSEs） ; livestock production; veterinary prevention;
朊蛋白基因家族的4个基因在不同种属中十分保守， 被定义为"朊蛋白基因复合体" （prion gene complex） , 其中， 在同一条染色体的长约55 kb区域里， PRNP、PRND和PRNT这3个基因从上游至下游依次定位 （PRNP-20kb-PRND-3kb-PRNT） , 而SPRN基因定位于另一条染色体上， 这4个基因的定位、结构、表达过程和编码产物间具有一定相似度。传染性海绵样脑病 （Transmissible spongiform encephalopathies, TSEs） 也称朊病毒病 （Prion diseases） , 导致人和许多动物出现神经退行性疾病， 致死率达100%, 危害性极大。研究发现， 朊蛋白基因家族不仅与TSEs的发生密切相关， 其在畜牧生产和兽医预防中有着重要影响和作用。本文从朊蛋白基因家族的4个基因及其编码产物、朊蛋白基因家族对畜牧生产的影响、朊蛋白基因家族在兽医预防中的研究等三方面进行综述， 以期为畜牧生产的提高、兽医预防提供新的思路与理论支持。
1 朊蛋白基因家族及其编码产物
1.1 朊蛋白基因PRNP和朊蛋白PrP
朊蛋白基因PRNP为常染色体上的单拷贝基因， 由单个外显子编码一个约由250个氨基酸组成的朊蛋白PrP, PrP存在两种形式， 即正常朊蛋白PrPc和构象改变生成的异构体--致病性朊蛋白PrPsc （prion protein of scrape, PrPsc） .PrPc是一种含有糖基磷脂酰肌醇 （GPI） 的正常宿主膜相关蛋白， PrPsc也称朊病毒 （prion） , 作为PrPc的构象异构体， 两者的氨基酸序列和共价修饰一致， 但在二级结构上差异很大， PrPc含有40%的α-螺旋， 几乎不含β-折叠， 而PrPsc含有30%的α-螺旋和40%的β-折叠；PrPsc表现出自我增殖的替代蛋白构象， 其多聚体状态可以催化PrPc转化为PrPsc, 从而成为其额外的拷贝， 从而加强了朊病毒的感染性[1].
1.2 叠朊蛋白基因PRND和叠朊蛋白Doppel
PRND基因由于位于PRNP基因的下游而被命名为叠朊蛋白基因 （PRNP, downstream） [2].该基因含有两个内含子， 基因结构在不同种属中有一定差异， 但唯一的开放阅读框 （ORF） 均位于第2个外显子上。PRND基因编码的Doppel （PRNP downstream prion-like protein） 蛋白由179个左右氨基酸组成， 作为PrPc的一种横向同源物， 其一级结构与PrPc C-端2/3的序列有约25%的同源性。翻译后修饰过程中， Doppel和PrPc两个蛋白都包括了切除N-端的信号肽， 添加C-端的GPI锚， 进行糖基化修饰和形成链内二硫键等[3].尽管Doppel和PrPc在结构上相似， 但是两者在分布上差异很大， Doppel主要在睾丸、心脏等组织中表达， 而PrPc主要在中枢神经系统神经元中表达。
1.3 睾丸特异性基因PRNT和Prt蛋白
PRNT基因由于仅在成年动物的睾丸中表达而被称为睾丸特异性基因， 人的PRNT基因含有2个外显子， 山羊的仅含有1个外显子[4].PRNT基因与许多物种上该基因的表达序列标签 （EST） 显示出同源性， 人的PRNT基因仅在成人睾丸中表达。在反刍动物中， Pimenta J等[5]在公羊精子的顶体区域发现了Prt蛋白， 证实反刍动物PRNT基因能够表达， 不是一个假基因。在公羊的生殖细胞中 （除了睾丸体细胞） , Prt蛋白表达于精子发生、精子分化的最后阶段和获能过程中。在精子获能过程中， 具有蛋白激酶A底物特征的一种模体的磷酸化水平增加， 而该模体与Prt蛋白都定位于顶体区域， 因此推测Prt蛋白可能在模体的磷酸化途径中起作用， 并在精子细胞发生顶体反应以及后续的卵细胞受精过程中起作用。
1.4 类朊蛋白基因SPRN和类朊蛋白Shadoo
SPRN基因在自然界中高度保守， 通过比较基因组学和计算机模拟分析发现SPRN基因可能为原始的朊蛋白基因， PRNP基因与PRND基因则由SPRN基因进化而来[6].人类和小鼠的该基因都含有2个外显子， 其开放阅读框 （ORF） 位于第2个外显子上， 编码长约130~150个氨基酸的Shadoo蛋白。Shadoo与PrPc在细胞表面的表达和绑定相同的分子伴侣等方面存在相似性。与PrPc不同的是， Shadoo含有一段丙氨酸富含区， 但丙氨酸残基数量表现出了变异性， 这是Shadoo遗传变异的重要特征， 证明该蛋白与PrP具有的不同功能。SPRN基因主要在脑中表达， 在其他组织中呈低水平表达。
2 朊蛋白基因家族对畜牧生产的影响
农业是人类赖以生存和发展的基础产业， 是解决人类吃饭穿衣等最基本的生活需求的第一产业。畜牧业是农业的重要组成部分。畜牧生产性能是保障畜产品有效供给和决定畜牧业效益的主要因素， 其包括家畜生长性状、繁殖性能等。已有研究表明， 朊蛋白基因家族参与调控传染性海绵样脑病 （TSEs） , 还影响家畜生长性状和繁殖力。
2.1 PRNP基因和朊蛋白PrP对畜牧生产的影响
感染传染性海绵样脑病TSEs的家畜病死率为100%, 给畜牧业带来了巨大损失。相关研究证明， PRNP基因的遗传多态性影响了其对TSEs的易感/抗感染性， 在绵羊第136位 （A136V） 、154位 （R154H） 和171位 （Q171R或Q171H） 氨基酸发生了不同取代， AHQ、ARQ、ARH和VRQ被认为是易感的基因型， 而ARR个体具有最强的抗病性[7].Niedermeyer S等[8]在山羊中发现PRNP基因第146位密码子多态性 （N146D或N146S） 显示出更强的抗病性。Yaman Y等[9]对多个水牛品种的PRNP基因进行研究， 发现该基因在启动子以及第1内含子上的插入/缺失突变与水牛对TSEs的抗性相关， 具有Ⅱ基因型的个体的抗性最强。以上研究成为了育种上评估和选择优秀抗病个体和品种的关键。
PRNP基因的遗传多态性除了与TSEs的易感/抗性相关， 研究还报道了其与家畜一些生长性状显著相关。研究表明， Texel羊的抗病ARR型可以有效增加产羔数。杨青等[10]首次在国内黄牛群体中对PRNP基因3′ UTR区、启动子区和第1内含子中的插入/缺失 （indel） 突变进行了研究， 发现这些突变与牛的生长性状显著相关。李洁等[11]在国内5个地方绵羊品种中检测到PRNP基因4个插入/缺失 （indel） 突变， 发现这4个突变显著影响了绵羊的胸宽、胸围、体长等生长性状。这些研究也为未来畜牧业在高抗病力群体中对优异生长性状个体进行筛选和培育提供新的指导。
2.2 PRND基因和Doppel蛋白对畜牧生产的影响
李洁等[12]研究表明， 位于PRND基因上游2 kb处一个20 bp插入/缺失 （indel） 突变与国内4个绵羊品种的一些生长性状显著相关， DD基因型的个体具有比其他基因型个体更大的臀部宽度， 而臀部宽度大有助于雌性的分娩， 提示了在育种中可以选择具有DD基因型的母羊。Ferreira L M等[13]发现PRND基因第26位密码子的不同多态性对精子获能和精子抗性有着不同影响， AA基因型或A等位基因携带个体能提高雄性的繁殖力， 并在绵羊精液中发现了Doppel的表达， 在精液冷冻保存后， Doppel的表达量下降， 进一步证明Doppel在雄性生殖中具有重要的生理作用， 对畜牧业中选育精子低温抗性强且繁殖性能优异的供体开辟了新的研究途径。
研究表明PRND基因的表达具有发育期依赖性， 推测其可能参与发育的调节过程。Behrens A等[14]研究确定， 敲除PRND基因不会妨碍小鼠胚胎和出生后的生长发育， 缺失Doppel的雌性小鼠在生殖上不表现异常， 而Doppel在小鼠雄性配子发育中起着至关重要的作用， 缺失Doppel的雄性小鼠丧失了生育能力， 这种雄性小鼠的精子在发育成熟过程中因受到氧化损伤而不能正常行使功能， 表明Doppel具有抗氧化作用， 而且是睾丸中主要的抗氧化蛋白， 该蛋白的存在对于保证精子正常发育成熟、发挥功能具有重要作用。Doppel通过调节雄性的繁殖力进而对畜牧生产产生重要影响， 而精子中的Doppel可成为临床上帮助分析雄性不育的一种有用的标志， 抗Doppel的单抗可能能用于雄性不育以及Doppel生理功能的研究。
2.3 PRNT基因和Prt蛋白对畜牧生产的影响
国内研究发现， PRNT基因的遗传多态性显著影响了家畜的生长性状。李洁等[15]在绵羊群体中检测到PRNT基因的7个单核苷酸多态性 （SNPs） 位点， 其中6个SNPs均与绵羊生长性状显著相关。国外研究发现， PRNT基因编码的Prt蛋白影响了雄性繁殖力， Prt特异性表达于成年动物的睾丸中， Pimenta J等[5]通过在含有精子与卵细胞的受精培养基中添加抗Prt蛋白的抗体 （APPA） 阻断了Prt功能， 来评估Prt蛋白在绵羊受精中的作用， 结果表明， APPA的存在减少了受精率和卵裂率；CD分析预测羊Prt蛋白趋向于形成α螺旋结构。由于其位于绵羊精子顶体上， Prt可能是通过与ZP蛋白在结构上发生蛋白质-蛋白质对接而相互作用的。上述研究表明， Prt蛋白可能在精子发生中起重要作用， 影响精细胞的增殖、成熟及受精， 从而影响了雄性的繁殖力。
3 朊蛋白基因家族在兽医预防中的研究
动物疫病防控工作直接关系到畜牧业可持续发展与公共卫生的安全， 随着畜牧生产性能的逐步提高， 动物疫病的防控也在不断健全与完善。朊蛋白基因家族导致传染性海绵样脑病 （TSEs） 的发生， 对动物的健康造成很大的威胁。其他研究也发现， 该基因家族在人和动物的神经系统疾病、肿瘤发生中具有显著影响。
3.1 兽医预防中传染性海绵样脑病的研究
PRNP基因编码的正常朊蛋白PrPc构像改变生成致病朊蛋白PrPsc, 会导致传染性海绵样脑病 （TSEs） 的发生， 任意一类传染性海绵样脑病都具有潜在传染性， TSEs在牛上表现为疯牛病 （Bovine spongiform encephalopathies, BSE） , 在羊上称为痒病 （Scrapie） .感染痒病的母羊后代中该病发病率会显著增加， 胎盘曾被认为是垂直传播该疾病的主要来源， Konold T等[16]进行体内试验研究， 发现山羊和绵羊的初乳和乳汁也是痒病垂直传播的有效的途径， 兽医预防中对该疾病的防控也应进一步加强和完善。传统式的对TSEs的早期诊断主要依赖于动物脑部活组织的切片检查， Wang Z等[17]在接种了朊病毒的仓鼠和转基因小鼠上进行研究， 发现在皮肤上通过高灵敏的序列蛋白质错误折叠循环扩增法 （sPMCA） 和实时的振动诱导转换测定技术 （RT-QuIC） 可以有效检测到朊病毒PrPsc, 证明皮肤中的朊病毒可以作为TSEs临床前诊断的新型生物标志物， 提供了在兽医预防中监测患病的新方法。
3.2 兽医预防中PRNP基因与朊蛋白PrP的研究
在人上的研究发现， PRNP基因过表达于多种肿瘤中， 在肿瘤发生发展中起重要作用， 参与肿瘤细胞的黏附、浸润、扩散、凋亡， 介导了细胞增殖、分化和恶性变异， 并干预多条与肿瘤形成有关的信号通路[18].在家禽上， 刘桂林等[19]研究发现在患马立克病的鸡肿瘤病变组织中PRNP基因的异常表达， 发现脾脏PRNP基因的表达量最高， 心脏、肾脏和脑次之， 肝脏与肺脏的表达量相对较低， 该结果与PRNP基因的正常分布不符合， 而与PRNP基因在多种肿瘤组织中过表达现象相符， 由此推测PRNP基因的表达量与肿瘤的形成和肿瘤细胞分化的严重程度呈正相关， 肿瘤组织病变越严重、肿瘤细胞的分化程度越高， PRNP基因表达量的上调幅度越大。更进一步证实PRNP基因的异常表达在鸡马立克病肿瘤的发生发展过程中发挥着重要的作用。
3.3 兽医预防中PRND基因与Doppel蛋白的研究
3.3.1 Doppel蛋白的神经功能
Doppel与PRNP基因正常编码的正常朊蛋白PrPc十分相像， Genoud N等[20]研究PRNP基因敲除小鼠时发现， 一些PRNP基因敲除小鼠没有出现明显异常， 可能是由于Doppel补偿了被敲除的PrPc功能。而Moore R等[21]在PRNP基因敲除小鼠的脑组织中过表达Doppel时， 小鼠出现了共济失调、神经退行性变化， 表明在缺乏PrPc时过表达的Doppel具有神经毒性作用， 增加了细胞的凋亡， 而再次表达PrPc又能治疗小鼠由Doppel引起的共济失调症， 证明PrPc能够中和Doppel的神经毒性作用。PrPc与Doppel的相互作用能调节细胞的死亡， 它们的动态平衡对维持神经细胞的正常功能是十分重要的。
3.3.2 PRND基因与肿瘤
Travaglino E等[22]检测了急性白血病及慢性粒细胞白血病患者的PRND基因mRNA表达情况， 结果显示PRND基因mRNA表达水平均明显高于正常对照组， 在白血病患者中PRND基因mRNA的表达量升高， 提示它可能参与了白血病的发病。研究表明在其他恶性肿瘤如人类星形细胞瘤、退行性脑膜瘤及胃腺癌中观察到异常高水平的Doppel[23].2016年， Taslim A等[24]在人和异种移植肿瘤的小鼠的肿瘤血管中检测到了Doppel的表达， 其在正常内皮细胞中不表达， 而在肿瘤内皮细胞中表达， 并证明了抑制Doppel表达可以选择性抑制肿瘤血管的生成， 提示Doppel是临床上靶向抗血管生成治疗的重要细胞表面候选物。以上研究提示， PRND基因和Doppel蛋白有可能作为疾病诊断的新型标志物应用于动物中对相关肿瘤和疾病的检测。
3.4 兽医预防中SPRN基因与Shadoo蛋白的研究
Shadoo在小鼠脑中分布部位不如PrPc广泛， 其主要分布于小鼠大脑的海马区， 根据其组织特异性分布， 推测研究Shadoo对于神经损伤、中枢神经系统疾病的发病机制的研究有帮助。Shadoo在PrPc存在的情况下过表达， 可以影响大脑海马和皮质区的神经功能， 证明PrPc与Shadoo在大脑中某些区域重叠互补表达。Beck J A等[25]研究发现， SPRN基因发生移码突变导致的Shadoo表达量降低， 与人患TSEs中的克雅氏病 （CJD） 患病风险的增加有关。
4 展望
朊病毒 （prion） 引起的一系列传染性海绵样脑病 （TSEs） 由于其极大的危害性而被人们所关注， 探究该基因家族与TSEs的关系对动物疫病防控至关重要[26].随着研究的深入， 科学家陆续在哺乳动物、植物、真菌、细菌中发现了朊病毒， 南昊等[27]的研究首次发现了由病毒编码的朊病毒， 最终印证了朊病毒广泛存在的"假说".多项研究提示了朊蛋白基因家族在畜牧生产和兽医预防中的影响和作用也不容研究人员忽视， PRNP基因的遗传多态性与TSEs的易感性/抗病性以及动物的生产性能显著相关， PRND基因与Doppel蛋白在繁殖中有望成为分析雄性不育的一种有用的标志， PRNT基因与Prt蛋白在家畜生产和繁殖上的影响也被研究人员发现， 研究该基因家族在畜牧生产中的作用， 可以帮助未来畜牧业健康持续发展；而PRNP基因在多个肿瘤组织中高表达， Doppel蛋白的神经毒性作用能被PrPc所中和， 临床上Doppel作为肿瘤的一种新型分子标记物， 为肿瘤免疫治疗奠定了理论基础； Shadoo蛋白与神经系统疾病间的关联为治疗神经性疾病提供新的思路， 对该基因家族的研究在兽医预防中也具有重要意义。基于上述进展， 未来对朊蛋白基因家族的深入研究对畜牧生产以及兽医预防具有重大意义。
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