扇贝大防御素和G型溶菌酶的基因克隆与重组表达

扇贝养殖是我国传统的海水养殖产业，但自1997 年以来，养殖扇贝陆续爆发的大规模死亡，不但造成了巨大的经济损失，而且严重影响了该产业的健康发展。扇贝病害的不断爆发以及病因的多样性迫切要求制定新的疾病防治措施和开发新型的抗菌物质。 从扇贝自身的免疫防御因子入手，筛选和克隆参与免疫防御的功能基因，一方面可以研究抗病功能基因在病原感染或环境胁迫条件下的表达规律，深入探讨扇贝的免疫防御机制，并可作为抗病良种选育的分子标记，指导扇贝的遗传改良和抗病品系的培育；另一方面，可对抗菌效应物实现重组表达，开发新型的病害预防治疗制剂，取代目前普遍使用的抗生素和化学药物。抗菌效应物是机体在免疫应答过程中产生的多肽类物质，对侵入生物体内的细菌、病毒具有很强的免疫杀灭作用，对抗菌效应物的研究有助于深入了解机体先天性免疫防御的机制。 本研究采用大规模EST测序方法，结合cDNA末端快速扩增（RACE）技术，从海湾扇贝血淋巴中克隆到了大防御素基因（big defensin, AiBD）的全长cDNA序列，该cDNA全长为531 bp，其中5' 非编码区（UTR）为24 bp，开放阅读框（Open Reading Frame, ORF）含有369 bp，编码122 个氨基酸残基；随后为138-bp 的3' UTR，包括一个多聚腺苷酸信号序列（AATAAA）和ploy A尾巴。分析表明，海湾扇贝大防御素是以前体的形式合成，前体分子包括信号肽、前域和成熟肽三部分。采用Northern blot方法，以DIG标记的DNA探针检测了 AiBD mRNA在不同组织中的表达。结果发现，AiBD 基因的转录本主要在血淋巴中表达，在鳃中也有微量的表达，而在外套膜、闭壳肌、性腺及肝胰腺中检测不到杂交信号。采用QRT-PCR（quantitative real time PCR）对鳗弧菌感染后海湾扇贝血淋巴中AiBD mRNA 的表达量进行了检测，结果发现在感染后8 h 内， AiBD mRNA 的相对表达量平缓升高；随着刺激时间的增长，AiBD基因的mRNA表达量急剧增加，在刺激后16 h 和32 h 分别达到了空白组的72.3 倍和131.1 倍。为了研究海湾扇贝大防御素的抗菌活性，将其成熟肽编码区克隆到毕赤酵母表达载体pPIC9K并实现了重组表达。抑菌实验表明，重组AiBD具有广谱的抗菌活性，其对供试的三株革兰氏阳性菌（藤黄微球菌、溶壁微球菌、金黄色葡萄球菌）都表现出显著的抗菌活性，而对革兰氏阴性菌（鳗弧菌、亮弧菌）的抑菌活性则相对较弱；此外，重组AiBD对表达宿主也表现出杀菌活性，证明其具有抗真菌活性。 根据栉孔扇贝G 型溶菌酶基因的cDNA序列，利用构建的Genome Walking 文库获得了栉孔扇贝G 型溶菌酶基因的全长序列，该基因序列全长为8131 bp，由六个外显子和五个内含子组成。六个外显子长度分别为55 bp，60 bp，90 bp，113 bp，145 bp 和140 bp；五个内含子的长度分别为1126 bp，2161 bp，2744 bp，750 bp和592 bp；内含子的两侧都具有RNA正确剪接所必需的识别位点（GT/AG）。利用TRANSFAC 软件对栉孔扇贝G 型溶菌酶基因的5' 侧翼序列分析发现，该基因的5' 侧翼具有 TATA box 和 CAAT box 的共有序列；此外，在该基因的5' 侧翼发现了C/EBP、NF-κB、OCT-1 和 NF-IL6 等参与免疫基因激活的转录因子潜在结合位点。采用Northern blot方法，以生物素标记的RNA 探针检测了栉孔扇贝G 型溶菌酶基因在不同组织中的表达。结果发现，该基因的转录本主要在鳃、性腺及肝胰腺中表达，在血细胞和外套膜中也有微量的的表达，而在闭壳肌中检测不到杂交信号，这表明栉孔扇贝G 型溶菌酶可能兼备参与机体免疫防御和消化的功能。为了研究栉孔扇贝G 型溶菌酶的抗菌活性，将其成熟肽编码区克隆到毕赤酵母表达载体pPIC9K并实现了重组表达。抑菌实验表明，重组产物具有显著的抗阳性菌活性，其对供试的藤黄微球菌、溶壁微球菌表现出明显的抑制作用，对金黄色葡萄球菌未检测到抑制活性；而对革兰氏阴性菌仅表现出微弱的抑菌活性（亮弧菌和鳗弧菌），对大肠杆菌则基本无抑制活性。

中国对虾酚氧化酶的研究

该文利用生化、组化、电镜酶细胞化学技术以及分子生物学技术,研究了中国对虾酚氧化酶（PO）的活性、在血淋巴中的定位、Cu结合位点cDNA片段结构分析.以生物化学方法研究了中国对虾和南美白对虾血清酚氧化酶（PO）生理功能和活性影响.超显微结构定位显示,PO阳性产物位于血细胞和血细胞周围.PO大部分均质且电子密度很高.在细胞外层有异物处的PO密度最大.其中大颗粒细胞周围的PO阳性产物最多,小颗粒细胞和透明细胞则很少或没有.中国对虾酚氧化酶原（proPO）cDNA片断含有两个公认的铜结合位点,两个位点周围的组氨酸的高度保守.

栉孔扇贝(Chlamys farreri)Toll样受体及其信号传递相关基因的克隆与表达

扇贝是我国海水养殖的重要品种，但自1994年以来，养殖扇贝陆续爆发的大规模死亡，不但造成了巨大的经济损失，而且直接威胁到现有产业的生存和发展。引起扇贝大规模死亡原因是多方面的，其主要原因是养殖环境恶化、扇贝种质衰退和抗病力下降。因此，深入研究扇贝免疫防御机制，探讨提高机体抗病力的有效途径和方法，改良种质和培育抗病品系，无疑是解决目前困扰扇贝养殖业健康可持续发展的必经之路。 Toll样受体（TLRs）家族是新近发现的模式识别受体（PRRs），参与识别病原体相关的分子模式（PAMPs），在天然免疫系统中起着非常重要的作用。哺乳动物中Toll样受体信号通路还参与诱导树枝状细胞成熟、参与免疫耐受、参与凋亡发生发展、介导非感染性因素的识别等，被视为联系天然免疫和获得性免疫的桥梁。同时果蝇的Toll信号通路也是不具备获得性免疫的果蝇赖以抵御病毒、细菌和真菌感染，介导天然免疫反应的重要信号通路。 本研究采用大规模EST测序方法，结合Genome Walker库的构建和cDNA末端快速扩增技术，从栉孔扇贝克隆得到CfToll-1、CfMyd88、CfTRAF6和CfCactus这四个Toll样受体信号通路基因的全长cDNA，同时用荧光实时定量PCR技术检测了这些基因的组织分布及在脂多糖（LPS）和肽聚糖（PGN）刺激下的表达规律。 栉孔扇贝Toll样受体（CfToll-1）的cDNA序列全长4308 bp，包含5’非翻译区（UTR）211 bp，3597 bp的开放阅读框，500 bp的3’UTR，最后为18个腺嘌呤的ploy A 尾巴。开放阅读框编码1198个氨基酸的多肽，该多肽的估计分子量为137.41kd，估计的等电点为5.62，该多肽有信号肽，具有一个预测的跨膜区，因此是一种跨膜蛋白。经BLAST比对，CfToll-1基因与节肢动物多种Toll蛋白高度的相似性。SMART（Simple Modular Architecture Research Tool）软件分析，CfToll-1包含典型的Toll样受体的结构：富含亮氨酸的重复序列的胞外区（leucine-rich repeats, LRR），一段跨膜结构域，以及胞内区的TIR结构域（Toll/IL-1 receptor homologous region）。利用Real-time RT-PCR发现CfToll-1mRNA在扇贝体内普遍存在于血细胞、肌肉、外套膜、心、性腺和鳃组织中。利用体外培养的原代血细胞系研究不同浓度LPS刺激后CfToll-1的表达变化，结果显示低剂量（100ng.mL-1 ）LPS 使CfToll-1 mRNA表达量减小，该变化在1.5h、3h 和9h组差异显著，虽然在6h组表达量稍有恢复，但尚未达到对照水平；用1μg.mL-1LPS处理细胞时， 6h组CfToll-1表达量明显上调，约为对照水平的2倍。证实细菌结构脂多糖对CfToll-1基因的表达有影响，且这种影响有剂量依赖效应。 栉孔扇贝Myd88同源基因（CfMyd88）的cDNA序列全长1554bp，包含5’UTR 427 bp，1101bp的开放阅读框，最后为18个腺嘌呤的ploy A 尾。CfMyd88的开放阅读框可编码367个氨基酸的多肽，该多肽的估计分子量为42.37kD，估计的等电点为5.71。利用SMART程序分析发现CfMyd88编码了Death和TIR结构域, 这两个结构域是Myd88特征结构。BLAST程序发现扇贝的序列与数据库哺乳动物的Myd88基因高度同源。原代培养的扇贝血细胞在受到PGN刺激后，CfMyd88 mRNA表达在1.5小时开始下调，直到9小时下调至对照表达量的1/10，证实肽聚糖结构对CfMyd88基因的表达有影响。 栉孔扇贝TRAF6同源基因（CfTRAF6）的cDNA序列全长2510bp，包含5’UTR 337 bp，1965bp的开放阅读框，3’UTR 208bp，最后为21 个腺嘌呤的ploy A 尾巴。CfTRAF6开放阅读框编码655个氨基酸的多肽，该多肽的估计分子量为74.09kD，估计的等电点为6.01。InterPro Scan在线分析发现CfTRAF6有典型的TRAF蛋白家族的特征结构，包括的一个指环结构，两个锌指结构，一个MATH （the meprin and TRAF homology）结构域以及Coiled-coil区域。CfTRAF6的序列与数据库多物种的TRAF6高度同源，同源性最高的是乌贼序列（Identity＝68）和鼠类（Identity＝45%）。利用Real-time RT-PCR，发现CfTRAF6在各组织普遍存在，在性腺中的表达最高。原代培养的扇贝血细胞在受到不同浓度PGN刺激后，与CfMyd88的情况一样，CfTRAF6的表达量变化减少，且这种变化随剂量的增加更加明显。 栉孔扇贝Cactus同源基因（CfCactus）的cDNA序列全长2488bp，包含5’UTR 181 bp，840bp的开放阅读框， 3’UTR 1467bp，最后为19个腺嘌呤的ploy A 尾巴。CfCactus的开放阅读框编码279个氨基酸的多肽，该多肽的估计分子量为31.37 kD；估计的等电点为4.74，与果蝇的Cactus基因的等电点相近（4.5）。利用SMART程序分析发现CfCactus主要编码了ANK结构域（ankyrin repeats）。Cactus基因为哺乳动物NF-κB抑制蛋白IκB的同源分子，BLAST 程序发现扇贝的序列与数据库多物种的Cactus或IκB基因高度同源。同源性最高的是太平洋牡蛎（Identity=35%）和圆尾鲎（Identities = 44%）。对CfTCactus mRNA在扇贝的血细胞、性腺、 肠的组织表达进行分析，并同时与CfTRAF6和CfMyd88的表达量进行了对比，发现CfCactus的表达水平明显高于这两个基因，而且CfTRAF6的基因表达量也高于CfMyd88，表现出级联放大效应。正常情况下，三个基因在性腺的表达量最高，推测这条通路可能和发育等功能密切相关。 通过本研究我们首次在双壳类软体动物找得到与果蝇Toll蛋白家族高度同源的CfToll-1基因，同时发现其他三个在Toll样受体信号传递过程中起重要作用的基因，其中包括在软体动物中获得的第一个Toll样受体的接头分子－CfMyd88基因，该结果直接证明软体动物具有与哺乳动物和节肢动物高度类似Myd88依赖的Toll样受体信号通路。同时通过这些基因组织分布的研究以及细菌结构LPS和PGN对这条通路上基因表达的影响，证明扇贝Toll信号通路可能与在果蝇中一样，参与扇贝的发育和免疫防御等多种功能。

中国明对虾病原检测新方法及酚氧化酶通路相关基因的研究

对虾病害在世界范围内肆虐，给水产养殖和沿海农村经济造成了重大损失。在水产养殖的实践中快速检测水产动物的病害并及时采取隔离等措施对于控制病害尤为重要，其中关键的环节就是快速检测出病害，并在对虾免疫机制上寻找对虾疾病防治的有效方法。研究表明当对虾等甲壳动物受到外界病原刺激时，极微量的微生物多糖就可以激活proPO系统。激活过程中涉及和产生一系列活性物质，如黑色素、酚氧化酶原激活因子（PPA）、模式识别蛋白（BGBP、PGBP、LGBP、LBP）及其膜上受体和A2巨球蛋白等，它们可通过多种方式参与防御反应，包括提供调理素，促进血细胞吞噬作用，形成结节或包囊以及介导凝集和凝固，产生杀菌物质并且黑色素化。黑色素常常在节肢动物的体表形成黑色斑点，形成的色素沉着对机体起到保护作用。所以，酚氧化酶原激活的级联反应是节肢动物免疫的关键因素。本论文研究开发了以环等温介导技术（LAMP）为基础的检测对虾白斑病毒（WSSV）和鳗弧菌（V. anguillarum）的快速检测方法。并从对虾对病害的免疫机制为切入点，从中国明对虾体内克隆了酚氧化酶原（PrpPO）和丝氨酸蛋白酶FcSP3这两个免疫系统中重要的基因，分析了它们的分子结构特征，组织分布及应答鳗弧菌病原刺激的表达变化模式。 建立的对虾常见病害对虾白班病毒（WSSV）和鳗弧菌（V. anguillarum）的LAMP检测方法，经过实验比对和Blast检索，发现本研究中使用的引物，比已经报导的LAMP方法或者PCR方法具有更宽的检测范围（更低的假阴性）。检测WSSV的LAMP方法使用病毒的VP28基因设计引物，而鳗弧菌的检测方法使用empA基因设计引物。在方法中，首次提出加入UNG酶和dUTP的措施来预防污染，在实际检测中非常有效。LAMP方法与PCR检测方法的灵敏性比较也进行了研究，二者灵敏性相当。 依据中国明对虾血液cDNA文库提供的部分片段信息，结合SMART-RACE技术，克隆了酚氧化酶原（PrpPO）基因，通过序列比对分析发现，PrpPO基因cDNA全长为3040 bp，其中开放阅读框2061 bp，编码686个氨基酸，其中推测的信号肽为12个氨基酸。推测的序列与斑节对虾（P. monodon）同源性为93%,与短钩对虾（P. semisulcatus.）同源性为92%。real time RT-PCR实验结果表明， ProPO在血细胞中的相对表达量最高，肝胰脏中表达量最低。弧菌刺激实验中注射弧菌，刺激了血细胞和淋巴器官中的ProPO mRNA显著增加，说明在血细胞和淋巴器官中存在快速反应的ProPO通路。而ProPO mRNA量在淋巴器官中在时间上早于血液中升至最高，说明该动物在在病原刚开始入侵的时候先有淋巴器官发挥主要的免疫作用，随着时间推移血细胞便变成主要的免疫器官。 根据中国明对虾肝胰脏cDNA文库提供EST信息，经过SMART-RACE克隆了一个丝氨酸蛋白酶FcSP3基因，通过序列比对分析发现，该丝氨酸蛋白酶基因cDNA全长为1622 bp，其中开放阅读框1431 bp，编码477个氨基酸，其中推测的信号肽为22个氨基酸。推测的序列与疟蚊的丝氨酸蛋白酶（A. gambiae）同源性为33%,与丽蝇蛹集金小蜂的酚氧化酶原激活因子（N. vitripennis）同源性为32%，与东北大黑鳃金龟的酚氧化酶原激活因子（H. diomphalia）同源性为34%。淋巴器官中PPAⅡ表达量约为血液中表达量的47560倍，肝胰脏中的FCSP3表达量为血细胞表达量的6226倍。鳗弧菌注射对虾后，淋巴器官中刺激组和对照组FcSP3的mRNA量在刺激后6小时显著降低，但是刺激组的表达量明显高于对照组。刺激组的血细胞与肝胰脏中FcSP3 mRNA的相对表达量增高。而病原刺激后的血液与肝胰脏中的FcSP3 mRNA的增长趋势也在时间上先与ProPO mRNA。这说明FcSP3对ProPO有正调控的作用，但这个调控有一个时间差，并且在不同组织中有不同的调控效率。

皱纹盘鲍生长和抗逆相关新基因的初步研究

在刘晓研究员已构建的皱纹盘鲍全长cDNA文库及克隆随机测序的结果基础上，分析发现了皱纹盘鲍胸腺肽β（Tβ）cDNA全长，该序列全长487bp，生物信息学分析显示其含有一个135bp的开放阅读框（ORF），编码一个含44个氨基酸的蛋白质分子，另外其5'和3'非翻译区长度分别是69bp和283bp，3'端非翻译区具有AATAAA mRNA加尾信号及PolyA寡聚腺苷酸尾巴。采用荧光定量PCR的方法研究皱纹盘鲍Tβ的组织特异性发现，Tβ在各组织中均有分布，但在外套膜中高表达，推测和其组织结构中富含参与免疫分泌的颗粒有关。利用荧光定量PCR检测感染鳗弧菌后皱纹盘鲍腹足肌中Tβ在不同时间点的转录表达发现，Tβ基因表现出具有显著差异的时间依赖性，12h后Tβ基因的表达量明显升高，且在处理后24h达到最高值，然后表达量开始回落，至处理后72h，Tβ表达量基本降至初始值。推测皱纹盘鲍在受到病原菌侵染后Tβ基因表达量上调可能是由于Tβ基因参与了皱纹盘鲍的免疫反应，它可能在皱纹盘鲍的抗逆机制中发挥着重要作用。 发现了一个在皱纹盘鲍大小个体中差异表达的长1555bp含有完整3’端的新基因片断，暂命名为TH。利用荧光定量PCR检测皱纹盘鲍RwRh、J1Rh、J1Jm、RwJm 4个家系大小个体中TH基因的差异表达，发现其在大个体中的表达量显著高于小个体，推测其可能与皱纹盘鲍生长速度有某种关联。荧光定量PCR对皱纹盘鲍TH基因时空差异表达的研究发现，其在发育过程中的表达呈现出一定的规律性，即在围口壳幼虫期前始终保持较低水平的表达，当围口壳形成后表达量急剧增加，至幼鲍时达到最高值，在成鲍中也维持较高水平的表达，提示该基因可能调控壳的发育。同时，皱纹盘鲍TH基因具有组织特异性表达，在外套膜中的表达量显著高于其他组织，推测和其组织结构中富含参与壳形成的颗粒有关。另外还比较了皱纹盘鲍RwRh、J1Rh、J1Jm、RwJm 4个家系中TH基因的差异表达，结果发现在这4个家系中的相对表达呈现出一定的规律，即J1Rh＞RwRh＞RwJm＞J1Jm，可能有助于解释家系之间生物学性状上的差异。

Ecdysteroid-responsive genes: E75 and Retinoid X Receptor (RXR), essential molt-regulating genes in the shrimp, Fenneropenaeus chinensis

本论文主要研究两种重要的调节蜕皮过程的基因—蜕皮激素效应基因E75和RXR在中国明对虾蜕皮中的作用。利用RT-PCR和RACE技术获得了编码FcE75和FcRXR的全长cDNA序列。FcRXR包含7个内含子，在对虾中存在不同的异形体，命名为RXR-1和RXR-2。应用荧光实时定量PCR分析表明FcE75和FcRXR基因在中国明对虾蜕皮前期（D3）其转录表达量明显上调。另外，FcE75和FcRXR基因在不同组织中的转录表达存在明显的差异。利用FcE75和FcRXR基因的双链RNA注射对虾能有效降低FcE75和FcRXR的表达水平。FcE75和FcRXR的体内沉默完全抑制了对虾的蜕皮过程，并且引起对虾的死亡。对不能正常蜕皮个体进行观察的结果表明，FcE75沉默的对虾，其上皮的收缩、新的刚毛及新表皮的形成均收到限制。在FcE75双链RNA沉默后的对虾中，我们检测了与蜕皮相关的一些效应因子，如chitinase等的转录，发现这些效应因子的转录明显受到抑制，说明FcE75和FcRXR在蜕皮过程中起到非常重要的作用。本论文首次阐明了这些基因在十足目甲壳动物蜕皮过程中的功能。

牙鲆成肌因子myogenin和MRF4的研究

本文从牙鲆中克隆到其肌肉调节因子myogenin和MRF4的基因，并对它们的表达、启动子活性及功能进行分析。 研究结果表明牙鲆myogenin和MRF4都由三个外显子和两个内含子组成，其cDNA编码的氨基酸序列分别与几种鱼类的同源基因亲缘关系较近。 原位杂交显示最早在胚胎5-6个体节时体节中部的细胞检测到myogenin的表达，随着发育的进行，它的表达向体节两侧和体后延伸，最后在整个体节表达。当发育到30个体节的时候，在躯干的表达迅速下降，只在胚胎的尾部能检测到信号。 RT-PCR的结果显示，MyoD和Myf5的表达要早于myogenin，而MRF4的表达晚于myogenin，并且myogenin、MRF4只在成鱼的肌肉中表达，这进一步证明其在肌肉发育过程中的作用。 myogenin和MRF4的启动子中含有保守的肌肉特异调控序列，瞬时表达分析的结果证实两段启动子序列足以驱动GFP在斑马鱼胚胎肌肉中的特异表达。首次对鱼类MRF4启动子进行了调控序列的分析，发现在启动子的-181到-506的序列中含有调节MRF4表达的必需位点。 首次应用原核表达系统对MRF4蛋白进行重组表达，并利用纯化的重组蛋白制备多克隆抗体，通过western杂交分析显示所得到的MRF4多克隆抗体能够识别牙鲆内源性的MRF4蛋白。

栉孔扇贝CfLITAF基因的克隆与表达分析

关于无脊椎动物中是否存在细胞因子一直都存在着异议。从细胞因子本身入手，运用细胞生物学和免疫学手段，已经在软体动物、节肢动物和棘皮动物等无脊椎动物中证实了高等动物细胞因子样活性物质的存在，然而利用分子生物学手段至今没有得到任何核苷酸或蛋白序列信息，而从与细胞因子相关的分子如调控其表达的转录因子入手来研究无脊椎动物中的细胞因子样物质的存在，或许会得到意想不到的惊喜。 最近从人的单核细胞系THP-1中分离纯化出一种新型的转录因子，它可以被LPS诱导表达，产生的蛋白在TNF-α的表达过程中起着非常重要的作用，因而命名为LPS-induced TNF-α factor（LITAF）。随后该基因在小鼠和鸡中也被克隆分离出来，其编码的蛋白已经证实在TNF-α的表达过程中起着不可或缺的作用。迄今为止，在无脊椎动物中还没有相关同源基因的报道。 本研究采用大规模EST测序方法，结合锚定PCR技术从栉孔扇贝体内克隆到了高等动物LITAF基因的同源基因CfLITAF的全长cDNA序列。该cDNA全长为1240bp，其中5' 非编码区（UTR）为112 bp；开放阅读框（Open Reading Frame, ORF）包括450 bp，编码149个氨基酸残基，该多肽的理论分子量为16.08 kDa，等电点为6.77；3' UTR为678bp，包含一个poly A尾巴。SMART结构域预测发现CfLITAF蛋白含有一个保守的LITAF结构域。实时定量PCR检测CfLITAF基因在栉孔扇贝主要免疫器官中的表达分布情况，发现在所检测的六种组织血细胞、外套膜、肌肉、心、腮、性腺中均能检测到CfLITAF基因转录本的不同丰度的表达。血淋巴和肌肉中的表达量相差不大，而在心、外套膜、腮和性腺中的表达量要高于血淋巴和肌肉中的表达量，分别是血中表达量的2.45、2.82、9.23和24.93倍。 为了验证其表达量是否会受到LPS的诱导，利用QRT-PCR（quantitative real time PCR）检测了CfLITAF基因在受到LPS和PGN刺激后在血细胞中的表达规律。结果如下：在LPS刺激后3h，CfLITAF的表达量显著上调，达到了原初水平的1.5倍，随着时间的延长，其表达量逐渐恢复到刺激前水平；在用PGN刺激血细胞后的9个小时内均没有检测到CfLITAF基因mRNA表达量的显著变化。实验中所用血细胞为同一批原代培养的栉孔扇贝血淋巴细胞，细胞活力通过台盼蓝拒染实验测定。 CfLITAF基因的克隆与表达分析，不仅为进一步认识栉孔扇贝的免疫防御机制提供了实验参考，更重要的是为无脊椎动物中细胞因子样物质的研究提供了一个分子水平上的线索，为无脊椎动物中细胞因子样物质的研究奠定了理论基础。

中国明对虾体内凝结作用相关免疫基因的克隆与表达研究

对虾疾病在世界范围内的频频爆发，给地区经济造成了重大损失。然而到目前为止，我们对于对虾免疫系统的分子机制还知之甚少，深入了解其免疫应答过程，包括异物识别，信息传递以及作用方式等是从根本上解决疾病问题的关键之一。本论文从中国明对虾血细胞中分别克隆了一种C型凝集素基因（Fclectin）、参与凝结过程的谷氨酰胺转移酶基因（FcTG）以及参与凝结级联反应和酚氧化酶原激活系统的两种丝氨酸蛋白酶基因（SP-1和SP-2）和两种丝氨酸蛋白酶抑制剂基因（SPI-1和SPI-2），分析了它们的分子结构特征，预测了其可能的作用，并对它们的组织分布及应答不同病原感染的表达变化模式进行了研究。 首次从对虾中克隆了Fclectin基因，比对结果发现该基因属于C型凝集素超家族的成员之一；Northern blot和原位杂交结果显示，Fclectin基因在部分血细胞中呈组成型表达；利用毛细管电泳半定量RT-PCR方法分别研究了细菌和病毒感染后该基因的表达特征，并初步尝试了利用体外培养的原代血细胞系统研究LPS刺激后Fclectin的表达变化。该基因在感染或刺激后表达水平有明显的改变。 利用RACE技术从中国明对虾血细胞中克隆了一个FcTG基因，它与斑节对虾的谷氨酰胺转移酶基因有93%的相似性，可能编码一种具有活性的TG；原位杂交结果FcTG主要在血细胞中表达，在淋巴器官管腔的血细胞中表达尤为丰富，推断该基因可能主要在吞噬细胞中表达；病原的刺激未能使该基因的表达明显改变，但损伤（注射）的刺激会对其表达产生一定影响。 利用本组构建的对虾血液cDNA文库，克隆到了两个不同的丝氨酸蛋白酶基因，命名为SP-1和SP-2。前者为具有假clip结构域的胰蛋白酶样SP类似物（SPH），后者是一个具有完整的clip结构域的SPH，这在对虾中是首次发现。SP-1和SP-2都主要在血细胞中表达，此外SP-1在淋巴器官中的表达水平也很高；细菌的刺激对SP-1的影响不大，但会诱导SP-2表达量的增加，这两个基因的表达模式在病毒刺激后很相似，都出现先上调后下降的过程，可见病毒的感染会导致这两个基因转录的增强。 利用SMART-RACE技术结合对虾血液cDNA文库的利用，从中国明对虾血细胞中克隆到了两种SPI基因，它们分别为kazal-SPI和serpin-SPI，属于两个不同的家族。SPI-1与斑节对虾的SPI有76%的相似性，推断SPI-1可能主要对弹性蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶、胰凝乳蛋白酶等有抑制作用；SPI-2为对虾中首次报道的serpin型抑制剂，它与淡水螯虾的serpin有42%的相似性，SPI-2可能主要对胰蛋白酶、酚氧化酶原激活酶、凝血酶和凝结酶有抑制活性。组织分别特征显示这两个抑制剂基因都在鳃、血细胞和淋巴器官中有高水平的表达。细菌的刺激都会导致这两个基因的表达在感染后出现下调，随后又上升至原有水平；病毒感染后，SPI-1和SPI-2的表达变化情况相似，感染后前12h基本没有明显的改变，到了感染的晚期（感染后24h和48h），随着病毒在体内大量复制，这两个基因的表达都急剧下降至接近基因关闭的状态，这可能暗示着与SPI相对应的蛋白酶的活力将很大程度的异常的增加，机体内稳定的免疫系统平衡状态可能已被破坏。

蓝藻与绿藻类胡萝卜素合成酶基因的比较基因组学及代谢调控研究

类胡萝卜素在生物体内具有重要的生理功能，其中虾青素是一类高附加值值的类胡萝卜素。本文通过比较基因组学和实验手段，探索了类胡萝卜素相关基因的转录调控，为类胡萝卜素的代谢工程奠定的了基础。 1、对已测序的18种蓝藻的类胡萝卜素合成基因进行了比较基因组学研究，发现除了Gloeobacter violaceus PCC 7421的类胡萝卜素合成途径是细菌型外，其余的蓝藻类胡萝卜合成途径均属于植物型。序列比对发现蓝藻中参与合成途径上游的酶基因在进化中保守性较高。研究还发现，一些类胡萝卜素合成酶在结构和功能上存在趋同或趋异进化，揭示它们进化上的多样性。 2、 通过比较基因组学分析，发现在集胞藻Synechocystis sp.PCC6803等几种蓝藻中，没有典型的番茄红素环化酶基因的同源基因，而存在着与绿硫细菌中的γ-carotene环化酶基因相似的基因,例如集胞藻中的sll0147和sll0659。但是研究结果显示sll0147和sll0659的突变对番茄红素环化过程影响不明显，提示在这些蓝藻中可能有其他基因参与环化过程，而sll0659基因可能参与了细胞的分裂过程。 3、 从经济绿藻雨生红球藻中克隆了参与类胡萝卜素合成途径的八氢番茄红素合成酶基因（psy）和八氢番茄红素脱氢酶基因（pds）的cDNA和基因组序列。通过基因组步移的方法克隆了这两个基因的5’侧翼序列，以本实验室建立的lacZ为报告基因的瞬间表达体系研究了这两个基因上游区域的启动子活性。 4、 通过ABA、 N饥饿和高光诱导雨生红球藻积累虾青素，利用半定量RT-PCR方法分析了在相同环境因子诱导下雨生红球藻中类胡萝卜素合成基因的表达调控模式，结果显示在虾青素积累过程中，除了番茄红素环化酶基因变化不明显，其他一些基因均存在明显的转录上调。 本研究首次利用比较基因组学的方法分析了类胡萝卜素基因的进化，发现大部分蓝藻的类胡萝卜合成途径属于植物型，一些类胡萝卜合成酶存在结构和功能的多样性。同时分离了雨生红球藻中类胡萝卜素相关基因八氢番茄红素合成酶基因（psy）和八氢番茄红素脱氢酶基因（pds）的5’上游侧翼序列，验证了它们的启动子功能，研究了雨生红球藻虾青素合成酶基因在相同环境因子诱导下的表达调控模式。本文将基础研究与实验验证相结合，为下一步研究类胡萝卜素合成的代谢工程提供了线索。

雨生红球藻中虾青素合成相关酶基因的转录调控序列分析

虾青素是一种具有极强抗氧化活性的类胡萝卜素，具有广泛的应用价值。雨生红球藻是一种单细胞绿藻，在逆境胁迫条件下能够大量合成并迅速积累虾青素，其积累量最高可达细胞干重的4%，从而成为目前首选的天然虾青素合成工具。但是，虾青素的大量积累总是发生在不适于生物量积累的环境胁迫条件下，虾青素积累与生物量积累之间成为一对矛盾，制约着虾青素大量生产。 异戊烯焦磷酸异构酶（IPI）、β-胡萝卜素酮化酶（BKT）和β-胡萝卜素氧化酶（CRTO）是虾青素合成过程中的相关酶。已有研究结果表明，这些酶基因的表达调控至少是部分发生在转录水平上的，这就为我们从转录水平上研究虾青素生物合成关键酶基因的调控机制提供了重要线索。 本文研究结果如下： 1. 利用基因组步移的方法克隆了两条异戊烯焦磷酸异构酶基因（ipi）的5’上游侧翼序列（1.8kb和2.5kb），预示着ipi的转录由不止一个启动子调控。 2. 利用上述方法克隆了两条β-胡萝卜素氧化酶基因（crtO）5'上游侧翼序列（1kb和2kb）。以lacZ为报告基因的瞬间表达实验结果表明，长度为320bp(-682/-363)的crtO 5'上游侧翼序列具有很强的启动转录活性，提示这段序列包含了启动子的结构。 3. 利用凝胶阻滞的方法研究了雨生红球藻中bkt强启动转录活性区域，即 309bp(-617/-309)启动子区域的转录因子结合位点，并发现在-396/-338的59bp区域内存在特异的核蛋白结合位点。通过序列分析，发现此59bp区域并不包含TATA或者CAAT-box，而是存在对光、缺氧、p-香豆酸及激素反应的G-box。 4. 根据国外已经获得的ipi和crtO全长cDNA序列，利用长距离PCR法从红球藻基因组中扩增到基因组序列。发现ipi和crtO均包含6个外显子和5个内含子，内含子的剪切位点基本符合GU-AG规律。并通过似然比检验（Likelihood ratio test）的方法发现两基因在进化过程中存在着正选择现象。 这些工作为下一步继续寻找与上述特定DNA调控区域特异结合的反式作用因子（蛋白质因子）奠定了基础。

中华卤虫滞育卵发育和重金属刺激相关蛋白质组学研究

卤虫(Artemia)是一种广温、耐高盐的小型甲壳动物，广泛分布于内陆盐湖和沿海盐田中。卤虫的无节幼体作为重要的蛋白优质饵料，被广泛的应用于水产养殖生产。卤虫具有特殊的生物学特性，是研究甲壳动物胚胎发育的良好的实验材料，同时也是一种研究动物抗逆机制的模式动物。卤虫有卵生和卵胎生两种繁殖后代的方式，当环境条件适宜时，卤虫倾向于采取卵胎生方式，即直接产生无节幼体；而在恶劣的环境条件下，卵生方式占主要地位，产生处于滞育状态的、具有复杂外壳的休眠卵。卤虫的滞育卵具有独特的生物学特性和特殊的生理生化特点。其发育停滞，细胞分裂停止，酶活力下降，代谢活动受到抑制并可耐受各种极端恶劣环境，如缺氧、低温、紫外线、干燥等。即使在最适的环境中滞育卵的孵化率也很低，只有受到某些特定的非生物信号的刺激才自能终止这种滞育状态，恢复生理代谢；当环境条件适宜时，能够继续发育孵化成无节幼体。因此，卤虫的滞育卵在卤虫的整个生活史中占有重要的地位。另一方面，卤虫是极端环境生物，能够抵抗各种恶劣环境胁迫刺激，因此是研究抗逆机理的良好的实验动物。 本论文利用蛋白质组学技术，研究了卤虫滞育卵及滞育卵发育过程中的蛋白质组表达情况，并研究了卤虫幼体在重金属刺激后蛋白表达的变化情况。得到如下结果： 建立了中华卤虫滞育卵可溶性总蛋白的双向凝胶电泳对照图谱。在pH 4–7、分子量10-100 kDa范围内，检测到约 233个蛋白点，并利用高效液相色谱-质谱联用（LC-ESI-MS/MS）技术鉴定了其中的48个丰度较大及感兴趣的蛋白点，根据这些蛋白的生物学功能进行分类，功能类别包括细胞防御蛋白、抗氧化蛋白、细胞骨架蛋白、代谢相关蛋白等。在卤虫滞育卵中共分离鉴定到6个分子量和等电点存在差异的小热休克蛋白p26的异构体，生物信息学分析表明该蛋白有三种不同的功能位点，分别是蛋白激酶C磷酸化位点，Casein 激酶II磷酸化位点及 N-myristoylation 位点。 采用低温脱水的方法对滞育卵进行激活刺激，并对活化卵和滞育卵蛋白表达图谱进行了对比分析。结果表明对卤虫滞育卵的激活刺激引起了其蛋白表达的明显变化。活化卵图谱中蛋白点总数比滞育卵中明显增多，特别是在pI<5.5范围内。约70个蛋白点在激活刺激后上调表达，包括部分只在激活卵中表达的蛋白；25个下调表达，包括部分只在滞育卵中表达的蛋白；其余约60％（占滞育卵蛋白点数目百分比）的蛋白点表达量基本恒定。热休克蛋白家族、抗氧化蛋白家族成员等蛋白变化明显，小热休克蛋白p26、小热休克蛋白ArHsp21蛋白以及过氧化物还原酶异构体在激活卵中特异表达。 活化卵孵化过程中不同发育时期的蛋白表达又呈现出不同的特点，分别在孵化后6h、12h、18h和24h的蛋白质组学图谱上检测到267、285、195和210个蛋白点。孵化后6h和12h休眠卵蛋白表达个数相对较多，与胚胎发育过程中的器官发生和剧烈的形态变化相适应；孵化后18h和24h休眠卵蛋白表达明显下降，部分蛋白的表达关闭，部分蛋白开始富集表达。 利用双向凝胶电泳技术分析了中华卤虫幼体受到急性硫酸铜刺激后的蛋白表达变化情况。通过图谱对比分析，检测到了5mM硫酸铜刺激24h后，卤虫幼体中14个差异表达的蛋白点。利用LC-ESI-MS/MS技术鉴定了其中的7个蛋白，其中3个蛋白上调表达，分别是热休克蛋白70（7.5倍）, 肌动蛋白（2.3倍）和伴侣分子亚基1（3.0倍）。3个蛋白下调表达，分别是：精氨酸激酶（2.8倍）, 延伸因子2 (2.0倍） 和富含甘氨酸蛋白(2.0倍）。硫酸铜刺激后特异表达的一个蛋白被鉴定为过氧化物还原酶(Peroxiredoxin，Prx)。根据质谱检测提供的蛋白肽段信息和其他生物过氧化物还原酶保守氨基酸序列设计简并引物，结合RACE技术，从中华卤虫幼体中克隆到了过氧化物还原酶基因，该基因的cDNA全长为756个碱基，其中开放阅读框为594个碱基，编码198个氨基酸，其蛋白理论分子量为22.0 kDa，理论等电点为6.98。多序列比对结果显示中华卤虫Prx基因的推导氨基酸序列与美国卤虫和中国对虾的同源性高达98%和94%。实时荧光定量PCR结果显示，硫酸铜刺激后，该基因在卤虫无节幼体中的转录水平明显升高，在24h达到正常水平的3.0倍。

文昌鱼发育相关基因GDF8/11、ACTIVIN和NM23-Bbt2的克隆、表达及分子进化分析

文昌鱼是头索动物，被认为是现存的与脊椎动物最接近的无脊椎动物，经常被看作是分析从无脊椎动物到脊椎动物进化过程的一种重要的模式动物。在本研究中，我们克隆了青岛文昌鱼的GDF8/11、ACTIVIN和NM23-Bbt2基因，并对这些基因在不同胚胎发育时期和不同成体组织中的表达情况进行了分析，同时分析了这些基因的进化情况。 文昌鱼GDF8/11的基因组全长为9.9 kb，包括五个外显子和四个内含子，比其他物种多出两个外显子和两个内含子。在多出的第三个内含子中，我们分离出一个可能的转座因子，这表明这个内含子可能来源于转座子。文昌鱼GDF8/11 cDNA编码一个419个氨基酸的前体多肽，这个前体多肽与软体动物、硬骨鱼类、鸟类和哺乳动物的MSTN以及哺乳动物和斑马鱼的GDF11具有高同源性。系统分析表明文昌鱼GDF8/11位于脊椎动物MSTN和GDF11的根部，这个结果证实MSTN/GDF11来源于同一个祖先基因，并且文昌鱼GDF8/11可能就是他们的共同祖先，产生MSTN和GDF11的基因复制事件发生在脊椎动物分离之前和文昌鱼与脊椎动物分离之后或者分离时。RT-PCR结果表明GDF8/11基因在新受精的细胞、早原肠胚和刀形胚胎中表达，这与哺乳动物中的情况不同。这表明GDF8/11在文昌鱼中除了调节肌肉生长外还可能拥有其他的功能。 文昌鱼ACTIVIN的基因组序列长为6.1 kb，启动子大约长为447 bp，其基因组包括两个外显子和一个内含子，外显子/内含子边界严格遵守GT…AG的原则。文昌鱼ACTIVIN基因编码一个410个氨基酸的前体蛋白，前体蛋白包括信号肽、N-末端结构域和C-末端结构域。文昌鱼ACTIVIN基因演绎的氨基酸序列与脊椎动物比较发现ACTIVIN基因比较保守，特别是C-末端生物活性区。系统进化分析表明脊椎动物和无脊椎动物的ACTIVIN基因分别聚在一起，文昌鱼的ACTIVIN则位于脊椎动物ACTIVIN分支的根部，这表明文昌鱼ACTIVIN基因可能是脊椎动物ACTIVIN同源基因的祖先基因。 文昌鱼NM23-Bbt2 cDNA包括一个编码171个氨基酸的开放阅读框，序列分析表明文昌鱼NM23-Bbt2与其他物种高度保守，他们都包含高度保守的基元，并且这些基元在NM23的功能中扮演着重要的角色。RT-PCR分析表明文昌鱼NM23-Bbt2在所检测的组织和胚胎发育时期中的非特异性的表达模式。系统分析表明脊椎动物和无脊椎动物NM23-H2分别聚在一起，而文昌鱼NM23-Bbt2位于脊椎动物NM23-H2分支的根部，这表明文昌鱼NM23-Bbt2可能是脊椎动物NM23-H2同源基因的祖先基因。从无脊椎动物到脊椎动物的基因组结构比较表明五个外显子和四个内含子的基因组结构可能产生在文昌鱼与脊椎动物分离之前。

黄海葵神经毒素基因和牙鲆孵化酶基因分子克隆及相关生物技术研究

聚合酶链反应（PCR）是体外 DNA 扩增技术，用于扩增确定长度的特异 DNA 片段或从少量复合性模板中扩增目的的 DNA 序列。随着聚合酶链式反应技术的不断革新和仪器设备的优化，聚合酶链式反应已经成为分子生物学领域中广泛应用的技术，并对以分子生物学为基础的相关领域产生重要影响。本文研究了利用聚合酶链式反应分别克隆黄海葵神经毒素基因和牙鲆孵化酶基因。海葵神经毒素是一类海洋多肽毒素，它们能广泛作用于可激动细胞的电压门控的钠离子通道，并且有心肌刺激活性。在所有已知海葵毒素中，来源于黄海葵的 Anthopleurin-B 拥有最强的心肌刺激活性，因此 Anthopleurin-B 被广泛认为是未来设计强心药物的理想分子模型。孵化酶是特异存在于鱼类胚胎孵化腺中的一种金属蛋白酶。由于孵化酶存在时空特异性，它被认为是从细胞水平和分子水平研究胚胎分化的良好探针，克隆其基因将促进胚胎发育与分化的系统研究。海葵组织存在大量的粘我糖物质，目前采用的许多标准方法提取海葵组织中核酸的效果均不理想。在已有的核酸提取方法的基础上，西文设计了一种新方案用于分离总 RNA 和基因组 DNA ，其要点为：用强变性剂异硫氰酸胍匀浆海葵组织，在一定离子强度下，用表面活性剂溴化十六烷基三甲基胺（CTAB）处理匀浆液，并有氯仿抽提，可将粘多糖从核酸溶液中分离；或在一定离子强度下，通过二乙胺乙基（DEAE）纤维素层析柱，将多糖和其它杂质分离。结果表明这种新组合的方法效果良好，获得的总 RNA 和基因组 DNA 在 260nm 和 280nm 紫外吸光度的比值分别为 1.96－1.97 和 1.73－1.75。同时总 RNA 的完整性良好，基因组 DNA 为大片段。根据黄海葵神经毒素 Anthopleurin-B C 末端氨基酸序列密码子简并度低的特点，本文设计了四种方案，用聚合酶链式反应扩增 Anthopleurin-B 的 cDNA 序列。其中用连接锚定聚合酶链式反应，即末端 DNA 快速扩增技术（RACE）成功扩增了 Anthopleurin-B 的全长 cDNA 序列，表明末端 DNA 快速扩增技术适合于较小的多肽或蛋白基因序列的扩增。本研究还修改了胚胎细胞总 RNA 标准提取和纯化方法，删除了胚胎细胞匀浆步骤，改为在缓冲溶液中，于 55℃ 用高浓度蛋白酶 K 裂解胚胎细胞，从而减少细胞核的破损，用苯酚／氯仿抽提将细胞核除去。获得的总 RNA 不受基因组 DNA 的污染，RNA 在 260nm 和 280nm 紫外吸光度的比值为 1.93－1.99 之间。用反转录聚合酶链式反应获得了目的基因序列，证明该方法切实可行。通过反转录聚合酶链式反应获得了牙鲆孵化酶部分 cDNA 克隆，经过 DNA 测序并且与青鳉孵化酶（HCE）比较，两者之间的以应 cDNA 序列的同源性分别为 86.0%, 推演氨基酸序列的同源性为 80.7%，由此可知，两者之间的同源性确实很高，因此，我们推测在硬骨鱼纲中，孵化酶基因可能是一类保守性很强的 DNA 序列。

微藻脂肪酸去饱和酶基因的比较基因组学分析及重要基因功能的验证

不饱和脂肪酸是机体生物膜的重要组成成分，对生物膜结构、机能、相转变、通透性的调节及相关过程的调控有重要作用。并且，它参与细胞生物化学反应、转运过程和细胞应激反应，影响脂肪代谢、寻靶作用、免疫反应、耐寒、抗氧化等生理过程。此外，不饱和脂肪酸还是哺乳动物体内生成前列腺素、凝血哑烷和白三烯等激素的前体，具有提高人体免疫力、预防心血管疾病和癌症等重要的生理功能。本文对微藻中脂肪酸去饱和酶基因进行了比较基因组学分析；分离并验证了模式绿藻莱茵衣藻中Δ12去饱和酶基因的功能；克隆了南极小球藻NJ-7不饱和脂肪酸合成途径中的内质网型Δ12、Δ15去饱和酶基因和叶绿体型Δ12基因，并对内质网型Δ12基因的功能进行了研究。 1、对已测序的37株蓝藻的脂肪酸去饱和酶基因进行比较基因组学分析，发现，丝状或固氮蓝藻中具有的脂肪酸去饱和酶的种类一般多于单细胞蓝藻；海洋来源的聚球藻和原绿球藻的酰基-脂去饱和途径明显不同于其他来源的蓝藻，这两属的蓝藻与其他蓝藻可能具有不同的系统发育史；与嗜温蓝藻相比，三个嗜热蓝藻藻株，Thermosynechococcus elongatus BP-1， Synechococcus sp. JA-2-3B'a(2-13)，sp. JA-3-3Ab只含有Δ9去饱和酶基因，这可能与它们的生长环境（温泉）有关。 2、对已测序的7株真核微藻的脂肪酸去饱和酶基因进行比较基因组学分析，发现，真核微藻不饱和脂肪酸合成途径具有多样性。绿藻衣藻和团藻，O. tauri和O. lucimarinus，硅藻三角褐指藻和伪矮海链藻中均存在两条不饱和脂肪酸合成途径，原核途径和真核途径。原核途径位于叶绿体，真核途径位于内质网，但合成的脂肪酸产物有所不同。原始红藻C. merolae只含有3个去饱和酶基因，2个Δ9基因和1个Δ12基因。不饱和脂肪酸合成缺失了一条原核途径，明显不同于其他蓝藻、绿藻、硅藻和高等植物，这可能是由于它们的特定的生长环境（酸性火山温泉）导致的。 3、通过比较基因组学分析，从模式绿藻莱茵衣藻中发现了一个可能的内质网型Δ12去饱和酶基因（135825），以酿酒酵母作为表达系统，验证了该基因的功能，为明确该模式藻的脂肪酸合成途径提供了依据。 4、从南极小球藻NJ-7中克隆了参与不饱和脂肪酸合成途径的内质网型Δ12、Δ15去饱和酶基因和叶绿体型Δ12基因的部分cDNA序列，并利用RACE方法获得了内质网型Δ12基因的全长，以酿酒酵母作为表达系统，对该基因的功能进行了研究。 本研究首次利用比较基因组学的方法分析了37株蓝藻和7株真核微藻中的不饱和脂肪酸合成途径，在此基础上研究了莱茵衣藻135825基因的功能。并从南极绿藻小球藻中克隆了参与不饱和脂肪酸合成途径的内质网型Δ12、Δ15去饱和酶基因和叶绿体型Δ12基因，为进一步研究温度调节去饱和酶表达的模式，明确微藻低温适应的分子机理奠定了基础。