【文献解读】虹鳟细胞间粘附分子-1 (ICAM-1)基因在应对病毒、细菌和寄生虫感染时的分子特征及表达

发布于 2021-10-14 07:50

今天跟大家分享一篇文章：虹鳟(Oncorhynchusmykiss)细胞间粘附分子-1 (ICAM-1)基因在应对病毒、细菌和寄生虫感染时的分子特征及表达分析，文章引用信息如下：

细胞间粘附分子-1(intercelladhesion molecule-1, ICAM-1)是一种可诱导的跨膜糖蛋白，属于免疫球蛋白超家族。与哺乳动物中只有两个Ig-like结构域的ICAM-2不同，ICAM-1由五个不同的Ig-like结构域、一个跨膜结构域和一个短的胞质尾区组成，因此其结构更类似于ICAM-3 (CD50)。既往研究表明，ICAM-1主要以淋巴细胞功能相关抗原1 (LFA-1, CDlla/CD18)和巨噬细胞抗原1 (Mac-l, CDllb/CD18)作为受体，对细胞-细胞和细胞-基质的粘附作用以及激活细胞通路的信号转导至关重要。

 

ICAM-1在许多细胞类型中以低水平表达，包括免疫细胞、内皮细胞和上皮细胞，但在机体发生炎症反应时上调表达。ICAM-1的表达可由多种促炎细胞因子如TNF-α、IL-1β和IFN-γ高度诱导，并受糖皮质激素抑制。ICAM-1积极参与白细胞跨内皮细胞迁移到炎症部位，并作为T细胞激活的共刺激分子; 因此，ICAM-1在先天和适应性免疫反应中都发挥着重要作用。此外，最近的研究表明，ICAM-1作为一种共刺激分子，能向T细胞传递共刺激信号，最终导致T细胞的激活。总的来说，ICAM-1参与了许多生理过程，包括调节白细胞运输，促进病原体和死亡细胞清除，以及激活T细胞和B细胞。

 

迄今为止，ICAM-1已经在许多哺乳动物中被克隆，如人类、黑猩猩和犬科动物。此外，ICAM-1在防御病毒、细菌和寄生虫等病原体方面的作用已经在哺乳动物中进行了大量研究。在硬骨鱼中，ICAM-1和白细胞跨内皮迁移的分子特征仅在草鱼中进行了研究。因此，ICAM-1的存在及其在应对不同病原体中的作用还有待研究研究。虹鳟(Oncorhynchus mykiss)是世界上养殖最广泛的冷水鱼类之一。然而，由于病毒、细菌、寄生虫等多种病原体的频繁入侵，给鳟鱼养殖业的发展带来了严重的风险。

 

本研究首次克隆了虹鳟的ICAM-1基因，并对其序列进行了表征。此外，检测了ICAM-1 mRNA在虹鳟不同组织中的差异表达。此外，还研究了ICAM-1在虹鳟鱼受到病毒、细菌和寄生虫感染时在免疫应答中发挥的作用。

 

ICAM-1基因的系统进化树分析

虹鳟ICAM-1与大鳞大马哈鱼的相似性最高(89%)，其次是北极红点鲑(85%)，但与草鱼的ICAM-1相似性较低(49%)。

 

ICAM-1在虹鳟鱼不同组织中的差异表达

肝脏中ICAM-1表达水平最低，其次是胃。重要的是，与肝脏相比，脾和头肾中ICAM-1的表达最高。

 

IHNV感染后的病理变化及ICAM-1 mRNA表达

IHNV感染后，虹鳟出现皮肤变黑、腮苍白、眼球突出、瘀点出血等明显的病理变化。RT-PCR检测了IHNV感染后4 d和7 d鱼鳃、皮肤、脾脏和头肾中IHNV-G基因的表达，进一步说明IHNV已成功侵入鱼体。在感染IHNV后4、7、14和21 d，皮肤表皮厚度明显降低，28 d时恢复（图C、D）。同样，与对照组相比，IHNV感染后，头肾和脾组织均有明显损伤。在IHNV感染后不同时间点，ICAM-1的表达水平在鳃、皮肤、头肾、脾脏四种组织均有显著变化（图E-H）。

 

柱状黄杆菌感染后的病理变化及ICAM-1 mRNA表达

为了研究细菌感染是否引发了ICAM-1 mRNA表达的显著变化，本研究用带有GFP标记的柱状黄杆菌G4菌株浸泡虹鳟。免疫荧光结果表明，与对照相比，感染后柱状黄杆菌成功侵入鳟鱼的鳃（图A-C）。在感染后4、7、14和21 d，感染组与对照组相比，次级鳃瓣长宽比发生了显著变化，次级鳃瓣变短、变厚（图D）。另外，将受感染的虹鳟皮肤组织匀浆后涂板于Shieh琼脂平板，培养48 h后，出现大量菌落，呈根状，扁平，中心呈黄色。然后，挑单菌落，在28℃条件下，于Shieh液体培养基中培养，用免疫荧光显微镜观察（图E）。在细菌感染后21和28 d，皮肤、头肾和脾脏中ICAM-1基因的表达显著增加（图H-J）。综上所述，这些结果表明ICAM-1可能在细菌感染的粘膜免疫应答中发挥重要作用。

 

多子小瓜虫感染后的病理变化及ICAM-1 mRNA表达

多子小瓜虫感染后，能在虹鳟的鳃、皮肤和鱼鳍清楚观察到小白点（图A）。在感染后7、14和21 d，通过切片能在鱼鳃的次级鳃瓣和皮肤表皮中检测到多子小瓜虫（图B）。在所测组织中ICAM-1的表达量都呈上升趋势。而ICAM-1在攻毒后14、21和28 d的鳃和皮肤中表达增加最为显著（图C、D）。与病毒和细菌感染相比，寄生虫感染后ICAM-1在皮肤和鳃中表达量上升较显著。

 

综上所述，本研究首次对虹鳟ICAM-1全长cDNA进行了鉴定，其特征与哺乳动物相似。组织表达分析表明，该基因在脾脏和头肾中表达最多，其次是鳃和皮肤等粘膜组织。此外，为了研究ICAM-1在虹鳟鱼免疫应答中的作用，本研究首次成功构建了病毒(IHNV)、细菌(F. columnare)和寄生虫(I. multifilis)三种感染模型。IHNV攻毒后，ICAM-1基因的表达不仅在头肾和脾脏显著上调，而且在鳃和皮肤中也显著上调。值得注意的是，与病毒和寄生虫感染相比，细菌感染时，ICAM-1的表达变化没有那么显著。这说明细菌可能不会像病毒和寄生虫那样引发ICAM-1介导的强烈的免疫反应，这可以解释LPS为什么不会引起ICAM-1表达量的显著变化。综合研究结果表明，ICAM-1在硬骨鱼对病毒、细菌和寄生虫感染的粘膜免疫反应中发挥重要作用。

参考文献

Zhai X, Kong W G, Cheng G F, et al. Molecular Characterization and Expression Analysis of Intercellular Adhesion Molecule-1 (ICAM-1) Genes in Rainbow Trout (Oncorhynchus mykiss) in Response to Viral, Bacterial and Parasitic Challenge[J]. Frontiers in Immunology, 2021: 3311.

DOI: 10.3389/fimmu.2021.704224

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