通过基因组挖掘发现并分类新的爬行动物cathelicidins：研究其在龟鳖目（Testudines）和有鳞目（Squamata）中的结构及基因组组织特征

时间：2026年2月2日

来源：Developmental & Comparative Immunology

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爬行类 Cathelicidins 基因研究首次系统分类，鉴定出龟纲和蜥蜴纲共287个基因，其中219个完整编码序列，68个假基因或片段。基于序列和理化性质划分九类成熟肽，发现基因呈簇分布但组织方式存在差异。该成果为揭示爬行类抗菌肽功能多样性及开发新型抗微生物药物奠定基础。

安德烈亚·奥塔索-佩雷斯（Andrea Otazo-Pérez）|曼努埃尔·R·洛佩兹（Manuel R. López）|塞尔吉奥·冈萨雷斯-阿科斯塔（Sergio González-Acosta）|安东尼奥·莫拉莱斯-德拉努埃斯（Antonio Morales-delaNuez）|何塞·曼努埃尔·佩雷斯·德·拉·拉斯特拉（José Manuel Pérez de la Lastra）

西班牙拉古纳圣克里斯托瓦尔（San Cristóbal de La Laguna）CSIC下属IPNA机构的大分子生物技术研究小组，地址：Astrofísico Francisco Sánchez街3号，邮编38206

摘要

Cathelicidins是一类存在于脊椎动物体内的宿主防御肽（HDPs），因其对抗耐药微生物的潜力及其多样的生物学功能而受到关注。虽然已有大量研究聚焦于哺乳动物的cathelicidins，但爬行动物中的cathelicidins仍大部分未被探索。在本研究中，我们通过基因组挖掘分析，在龟鳖目（Testudines）和有鳞目（Squamata）的爬行动物中发现了287个cathelicidin基因。在这些基因中，我们鉴定出219个完整的cathelicidin蛋白序列以及68个看似假基因或缺失完整开放阅读框的cathelicidin样基因拷贝。我们首次根据序列和结构对爬行动物的cathelicidins进行了分类，发现龟鳖目有6种类型，有鳞目也有6种类型，且它们具有共同的祖先谱系。此外，我们还研究了这些cathelicidin基因的基因组排列方式，发现它们聚集成簇，且在基因数量和组织结构上存在差异。根据序列和理化性质，我们将cathelicidin衍生的成熟肽分为9组。这项全面的研究加深了我们对爬行动物中cathelicidin家族的理解，明确了它们的基因组组织结构，并描述了不同类型的cathelicidins。这些分类为未来研究每种cathelicidin的功能和特异性奠定了基础，同时也为这些肽的结构-活性研究提供了依据。

引言

抗菌肽（AMPs）是一类源自不同蛋白质家族的肽，在所有生物体中都具有防御功能（Haney等人，2017年）。在脊椎动物中，这些肽通常由中性粒细胞等免疫细胞以及皮肤和肠道中的某些上皮细胞合成（Gallo和Hooper，2012年；Lei等人，2019年）。然而，这些肽的新功能不断被发现，例如一些肽具有抗病毒和抗真菌活性（Ballard等人，2020年；Hsieh和Hartshorn，2016年）。还有一些肽表现出抑制肿瘤细胞增殖的抗癌活性（Hoskin和Ramamoorthy，2008年；Kordi等人，2023年），还有一些肽在免疫系统调节中起作用（Guryanova和Ovchinnikova，2022年；Hancock等人，2016年；Steinstraesser等人，2011年）。因此，抗菌肽也常被称为宿主防御肽（HDPs）（Haney等人，2017年；Steinstraesser等人，2011年）。此外，这些肽通常不会导致目标微生物产生抗性，这主要归因于它们的独特作用机制（Veldhuizen等人，2013年）。抗菌肽家族存在于多种生物体中，例如植物中的硫素肽（Tam等人，2015年）、鳞翅目昆虫中的cecropins和attacins（例如Hyalophora cecropia（Wu等人，2018年））、硬骨鱼类中的piscidins（Asensio等人，2023年；Silphaduang等人，2006年）、各种动物群体中的defensins以及脊椎动物中的cathelicidins（Izadpanah和Gallo，2005年）。

Cathelicidins是脊椎动物中最重要的宿主防御肽家族之一，由于其强大的生物学活性而被广泛研究，可能在生物医学领域有应用潜力（Kościuczuk等人，2012年）。Cathelicidins首先以前体肽的形式合成，包含一个信号肽和一个高度保守的cathelin结构域，以及位于C末端的活性肽（Shinnar等人，2003年；Zanetti，2004年）。活性肽通过丝氨酸蛋白酶从蛋白质的其余部分切割释放出来，这种酶通常是弹性蛋白酶，但其他丝氨酸蛋白酶（如protease 3）也能催化LL37的释放（Andrault等人，2015年）。在基因组水平上，cathelicidin基因由4个外显子和3个内含子组成（Kościuczuk等人，2012年）。前三个外显子编码信号肽和保守的cathelin结构域，而活性肽由第4个外显子编码（Tossi等人，2024年）。通常，cathelicidin基因在基因组中聚集在一起形成簇（Kościuczuk等人，2012年）。

Cathelin结构域在远缘动物群体中具有较好的保守性。然而，产生的活性肽存在显著变异，即使是亲缘关系密切的物种也表现出不同的肽序列（Agier等人，2015年；Tomasinsig和Zanetti，2005年）。这种序列变异往往与抗菌活性的差异相关（Tossi等人，2024年）。此外，cathelicidins的功能多样性可能受到不同物种所遇到的病原体的影响，这取决于它们的栖息地和饮食（Hanson等人，2019年；van Dijk等人，2023年）。因此，研究不同动物群体中的cathelicidins可以提供针对多种微生物的活性化合物的宝贵资源。特别是研究爬行动物中的cathelicidins非常有益，因为预计它们会编码具有特殊生物功能的肽，反映了这些动物与其多样化生态位的相互作用。此外，许多研究表明它们具有强大的抗菌和抗病毒活性（Kim等人，2017年；Zhao等人，2008年）。

尽管所有脊椎动物都含有cathelicidins，但主要在哺乳动物和鸟类中进行研究（Kościuczuk等人，2012年）。在爬行动物中，蛇类受到了最多的研究关注，成为该领域大多数研究的重点（Wang等人，2008年；Zhang等人，2010年）。然而，这些cathelicidins的遗传特征尚未得到充分阐明，也不清楚它们的基因是否在基因组中形成簇。尽管已经记录了爬行动物cathelicidins的序列和功能活性变化，但尚未建立类似于鸟类的正式分类系统。在其他爬行动物群体（如蜥蜴或龟类）中，关于它们的cathelicidins的研究较少。此外，爬行动物的cathelicidins常被归类为“类似鸟类的”或变体，如“cathelicidin 2-like”或“cathelicidin 3-like”。它们也可能被描述为“类似蛇类的”或“OH-like”，指的是来自蛇Ophiophagus hannah的cathelicidin OH（Nash和Ryan，2023年；Zhao等人，2008年）。

我们使用不同的生物信息学工具通过基因组挖掘发现了新的爬行动物cathelicidins，并研究了它们的主要特征。基于此，我们提出了将龟鳖目和有鳞目爬行动物的cathelicidins及其衍生物肽分为不同类型的分类方案。我们还展示了这些群体中cathelicidin基因的基因组组织模型。

小节片段

基因组挖掘

为了进行基因组挖掘，我们最初设计了一个探针来筛查各种爬行动物物种中的cathelicidin基因（表1）。该探针由三个共识序列组成，这些序列是从NCBI数据库中多个注释的爬行动物cathelicidins的cathelin结构域的多序列比对中得出的。这些共识序列是使用Jalview软件（版本10.0.5）从cathelicidins的比对中生成的

爬行动物的基因组挖掘

在38种爬行动物中共鉴定出287个cathelicidin基因，其中219个具有完整的开放阅读框（ORFs），68个由于编码区域破坏或缺失关键特征而被预测为非功能性基因。在219个完整序列中，129个是新的，而90个与NCBI数据库中先前注释的条目相对应（表2）。其中一些注释不准确，最常见的问题包括基因合并（例如XP_061441679.1）或缺失第4个外显子

结论

我们的基因组挖掘方法结合手动的外显子预测，使我们能够鉴定出287个潜在的cathelicidin基因，其中大多数之前未被报道。在剪接信号与常见的GTGAG或GTAAG模式不同的情况下，手动校验是必要的，这种模式在有鳞目中尤为常见。

本研究首次将爬行动物的cathelicidins分为不同的类型，每种类型都由cathelin结构域中的特定基序定义

CRediT作者贡献声明

何塞·曼努埃尔·佩雷斯·德·拉·拉斯特拉（José Manuel Pérez de la Lastra）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，监督，资金获取，概念构思。安东尼奥·莫拉莱斯-德拉努埃斯（Antonio Morales-delaNuez）：撰写 – 原稿，方法学，概念构思。塞尔吉奥·冈萨雷斯-阿科斯塔（Sergio González-Acosta）：撰写 – 原稿。曼努埃尔·R·洛佩兹（Manuel R. López）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，监督，方法学，概念构思。安德烈亚·奥塔索-佩雷斯（Andrea Otazo-Pérez）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿

未引用的参考文献

Asensio-Calavia等人，2023年。

资助

本研究是在“ProID2020010134”项目的框架下进行的，该项目由西班牙加那利群岛政府的加那利群岛研究、创新和信息社会机构（Agencia Canaria de Investigación, Innovación y Sociedad de la Información, ACIISI）资助。