ОБЗОР ГЕНОВ АССОЦИИРОВАННЫХ С РЕЗИСТЕНТНОСТЬЮ ДОМАШНЕЙ КУРИЦЫ

 

ОБЗОР ГЕНОВ АССОЦИИРОВАННЫХ С РЕЗИСТЕНТНОСТЬЮ ДОМАШНЕЙ КУРИЦЫ

Научная статья

Баркова О.Ю.*

ORCID: 0000-0001-2345-6789,

Всероссийский научно-исследовательский институт генетики и разведения сельскохозяйственных животных – филиал федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный научный центр животноводства — ВИЖ имени академика Л. К. Эрнста», Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (barkoffws[at]list.ru)

Аннотация

Целью данного исследования является подбор генов-кандидатов для дальнейшего изучения их профилей экспрессии. В качестве генов-кандидатов для анализа экспрессии в реальном времени были выбраны гены оказывающие влияние на иммунитет и продуктивность птицы обеспечивающих сохранение здоровья птицы, повышение продуктивности и качества продукции птицеводства в связи с особенностью питания птицы. Отобраны гены, кодирующие и антимикробные белки и защитные пептиды, составляющие большую группу природных антибиотиков широкого спектра действия и играющих важную роль в иммунном ответе практически во всех формах жизни.

Ключевые слова: курица, гены-кандидаты, экспрессия генов, антибиотики, резистентность, иммунитет.

REVIEW OF GENES ASSOCIATED WITH THE RESISTANCE OF DOMESTIC CHICKEN

Research article

Barkova O.Y.*

ORCID: 0000-0001-2345-6789,

Russian Research Institute of Farm Animal Genetics and Breeding of farm animals, Branch of Federal state budget scientific institution "Federal scientific center for animal husbandry — VIZH of academician L. K. Ernst, Saint Petersburg, Russia

* Corresponding author (barkoffws[at]list.ru)

Abstract

The purpose of this research is to select candidate genes for further study of their expression profiles. The candidate genes for real-time expression analysis had been selected that  influencing the immunity and poultry productivity to ensure the preservation of poultry health, increase the productivity and quality of poultry products due to the peculiarities of  nutrition. The genes encoding antimicrobial proteins and protective peptides that make up a large group of natural broad-spectrum antibiotics were selected and play an important role in the immune response in virtually all forms of life.

Keywords: chicken, candidate genes, gene expression, antibiotics, resistance, immunity.

Целью данного исследования является подбор генов-кандидатов для дальнейшего изучения их профилей экспрессии. В качестве генов-кандидатов для анализа экспрессии в реальном времени при различном режиме кормления были выбраны гены оказывающие влияние на иммунитет и продуктивность птицы, обеспечивающих: сохранение здоровья птицы, повышение продуктивности и качества продукции птицеводства.

Антибиотики являются наиболее распространенными молекулами, используемыми для лечения бактериальных инфекций. Тем не менее, в последние годы, их эффективность была поставлена под сомнение в связи с появлением устойчивых штаммов бактерий. В настоящее время ведется много исследований для выявления новых потенциальных молекул, которые могут быть использованы в качестве альтернативы или в сочетании с терапией антибиотиками. Среди них большой интерес представляют антимикробные пептиды, которые являются основным компонентом врожденного иммунитета большинства живых организмов [1]. Куриное яйцо обладает устойчивостью к большинству микробов окружающей среды, что дает предположение о содержании в нем потенциально эффективных антимикробных молекул. Учитывая, что некоторые гепарин-связывающие белки у млекопитающих являются антибактериальными, проведено исследование о наличии антимикробной активности гепарин-связывающих белков из яичного белка яйца курицы. Использование масс-спектрометрического анализа белков яйца с восстановлением после гепарин-аффинной хроматографии, выявило 20 белков, в том числе известных антимикробных белков: авидина (AVD), лизоцима, TENP, овальбумина  Х и  бета-дефенсина 11. Антибактериальная активность белка наружного слоя вителлиновой мембраны 1, бета-микросеминпротеина и плейотропина была продемонстрирована в отношении листерий и / или Salmonella enterica Enteritidis [2]. Доказано, что все эти молекулы обладают общим свойством ингибировать рост бактерий, благодаря их гепарин-связывающим доменам. Кроме того, определен потенциал дополнительных эффекторов врожденного иммунитета, включая муцин 5В, E-селектин лиганд 1, сыворотка кислого белка 3, пептидилпролилизомераза B и рецептор ретиноевой кислоты респондер белка 2(CRBP II). Эти данные поддерживают концепцию об использования гепарин-связывающих белков в сочетании с масс-спектрометрией для получения данных о различных эффекторах врожденного иммунитета биологического происхождения, а также для идентификации новых противомикробных кандидатов, представляющие интерес в гонке поиска альтернативы антибиотикам. Характеристика новых природных антимикробных пептидов и белков с гепарином (отрицательно заряженных гликозаминогликанов) представляют собой перспективный подход для предоставления шаблонов для разработки новых терапевтических средств.

В исследовании [3] определены белки и экспрессия генов в слепой кишке только вылупившихся цыплят, которым инокулировали содержимое слепой кишки от взрослых кур разного возраста. Более 250 генов изменили уровень своей экспрессии в ответ на микробиотическую прививку Наибольшая индукция наблюдалась для генов: ISG12-2, OASL, ES1, LYG2, DMBT1-L, CDD, ANGPTL6, B2M, CUZD1, IgM и Ig лямбда-цепи. Из них оба иммуноглобулина ISG12-2 и ES1 имели более низкий уровень экспрессии генов у неинфицированных цыплят по сравнению с контрольными курами. Гены CELA2A, BRT-2, aldh1a1, ADH1C, AKR1B1L, HEXB, ALDH2, ALDOB, CALB1 и TTR имели экспрессию на более низких уровнях после прививки микрофлоры. Позвоночные вылупляются или рождаются со стерильным желудочно-кишечным трактом и колонизация микроорганизмов инициируется во время вылупления цыпленка  или родов у млекопитающих. Кишечная флора впоследствии развивается и претерпевает дальнейшие динамические изменения в большей степени у молодых животных и более низкие колебания у здоровых взрослых животных. Кишечный тракт хозяина любого возраста реагирует на колонизацию естественной микрофлоры. Например, производство иммуноглобулина в желудочно-кишечном тракте зависит от наличия микробиоты, поскольку стерильные  животные не вырабатывают антитела. У кур, изменение уровня мРНК кодирующих воспалительные цитокины было зарегистрировано в срок от 2 до 5 дней после вылупления [5]. Тем не менее, маловероятно, что они являются единственным ответом хозяина на микробиоту. Процесс колонизации и реакция кишечного эпителия к колонизации  микрофлорой далека от понимания. Кишечный эпителий покрыт двойным слоем муцина 2 (MUC2), иммуноглобулина А (IgA), Fc фрагментом IgG-связывающего белка (FcGBP), меприна 1А (MEP1A) и разными антимикробными пептидами, защищающие эпителиальные клетки от прямого контакта с микрофлорой кишечника [5].Тем не менее, процессы, приводящие к развитию этого защитного слоя до конца не известны.

При помощи количественной полимеразной реакцией в реальном времени (QRT-PCR) было обнаружено 6 генов с значительно меньшей экспрессией у неинфицированных цыплят по сравнению с колонизированной группой [6]. К ним относятся AVD, IgM, Igλ, CALB1, ES1 и ISG12-2. В данном исследовании определена реакция на инокуляцию микробиоты у кур разного возраста. Определено 36 генов, которые дифференцированно имели выраженную экспрессию в слепой кишке на уровне транскрипта и / или белка в соответствии с характером прививки, подавляемых инокуляцией микробиоты, такие как: вителлогенин (VTG2), авидин (AVD), калбиндин D28 (CALB1), SERPINH1, CRBP, ALDOB. Продукт гена ALDOB является ключевым ферментом в метаболизме углеводов. Его подавление может указывать на снижение метаболизма глюкозы эпителием кишечника, которая является основным источником энергии для микробиоты. Также происходило подавление TTR (транстиретина), транспортного белка гормонов щитовидной железы или ретинола [7]. Микробиота индуцирует экспрессию ряда генов: IgM, Igλ, ES1, LYG2, MRP126, HPX, RSFR, AVD, OASL и NKL после заражения с целым рядом патогенов [6]. Данная работа по экспрессии генов позволяет предположить, что хозяин может использовать подобные пути в ответ на патогены и  регуляцию микробиоценоза. Исследования [6] дали более подробную характеристику иммунного ответа цыплят к сальмонеллезной инфекции, которая, как правило, ограничивается количественным определением экспрессии генов, кодирующих цитокины, хемокины или антимикробные пептиды. Тем не менее, процессы, происходящие в слепой кишке зараженных кур гораздо более разнообразные. В данной работе был охарактеризован транскриптом и протеом в куриной слепой кишке после заражения сальмонеллой Enteritidis. Используя комбинацию методов пиросеквенирования 454, протеин-масс-спектрометрии и количественной ПЦР в реальном времени, было определены 48 снижающих и 56 повышающих экспрессию гены после инфицирования Salmonella Enteritidis. Наиболее индуцируемый ген MMP7, показывал 5952-кратную индукции в течении 9 дней после заражения. Наблюдалась индукция больше, чем в 100 раз для IgG, IRG1, SAA, ExFABP, IL-22, TRAP6, MRP126, IFN, иСОА, ES1, IL-1, LYG2, IFIT5, IL-17, ADV, AH221 и SERPIN B. Воспаление длилось в течение 2-х недель, экспрессия «воспалительных» генов возвращалась обратно на базальные уровни и, вместо этого, экспрессия IgA и IgG увеличилось. Это указывает на важную роль иммуноглобулинов в восстановлении гомеостаза в слепой кишке после заражения [6].

Защитные пептиды хозяина (HDPS) составляют большую группу природных антибиотиков широкого спектра действия и играют важную роль в иммунном ответе практически во всех формах жизни. Увеличение синтеза эндогенных HDPS может представлять собой перспективный антибиотик с альтернативным подходом к борьбе с болезнями [8].  В этом исследовании авторы проверили гипотезу о том, что экзогенное введение бутирата, (основной тип короткоцепочечных жирных кислот, полученных в процессе бактериальной ферментации непереваренных пищевых волокон), способен вызывать индукцию HDPS и повышение устойчивости к болезням у кур. Обнаружено что бутират является мощным индуктором нескольких, но не всех, куриных HDPS, таких как HD11 макрофагов, а также  первичных моноцитов, клеток костного мозга, в тощей и слепой кишке курицы. Кроме того, лечение бутиратом усиливает антибактериальную активность моноцитов курицы против Salmonella Enteritidis, с минимальным воздействием на воспалительную продукцию цитокинов, фагоцитоз и окислительный стресс клеток. Кроме того, дача добавки с 0,1% бутирата привело к значительному увеличению экспрессии гена HDP в кишечном тракта цыплят. Что еще более важно, эта стратегия кормления привела к почти 10-кратному снижению бактериального титра в слепой кишке экспериментальных инфекций, вызванных S. Enteritidis [8]. В совокупности, результаты показали, что эндогенные HDPS индуцированные бутиратом является филогенетически консервативным механизмом врожденной защиты хозяина у млекопитающих и птиц, и что диетическая добавка бутирата имеет потенциал для дальнейшего использования в качестве замены антибиотиков с  альтернативной стратегией для повышения  врожденного иммунитета и устойчивости к болезням сельскохозяйственной птицы [8]. Дефенсины и кателицидины  представляют собой два основных семейства HDPS у позвоночных животных [9]. В то время как дефенсины классифицируются по наличию шести консервативных остатков цистеина в С-концевой зрелой последовательности, все кателицидины состоят из консервативного домена кателин  в про-последовательности с очень дивергированной  С-концевой последовательностью. Куриный геном кодирует в общей сложности 14 B-дефенсинов известных как AvBD1-14 и четыре кателицидина, а именно фавлисидины 1-3 (fowlicidins) и кателицидина-B1[10]. Все AvBDs плотно сгруппированы на куриной хромосоме 3q, в то время как гены кателицидина расположены на хромосоме 2р. Оба куриные AvBDs и кателицидины экспрессируются в разных тканях организма, но наиболее сильно в костном мозге и бурсе, а дефенсины в печени и во всей пищеварительной, дыхательной, и репродуктивной системах [11]. HDPS обладает широким спектром антимикробного действия против бактерий, простейших, покрытых вирусов, и грибов в основном за счет прямого связывания и лизиса микробных мембран. Потому при таком физическом взаимодействий, патогенам крайне трудно развить устойчивость к HDPS. Многие куриные HDPS такие как AvBD9 (формально известный как галлинацин-6) и кателицидин В1 обладают сильной антибактериальной активностью в отношении широкого спектра бактерий, включая сальмонеллу [10]. Помимо прямой бактерицидной  активности, HDPS имеют сильную способность модулировать врожденный иммунный ответ, индуцируя хемотаксис и активацию различных типов лейкоцитов. Из-за плейотропного эффекта, HDPS активно исследовали в качестве нового класса терапевтических агентов против устойчивых к антибиотикам бактерий и против других воспалительных заболевания.

При работе с литературой нами были выбраны следующие гены-кандидаты для анализа экспрессии в реальном времени при различных рационах питания:   дефенсины  и кателицидины - AvBD1,  AvBD2, AvBD3, AvBD8, AvBD9, AvBD11, CATH1 CATH2, также гены MMP7 и ALDOB, авидин (AVD). Предполагается подобрать оптимальный рацион с безопасными пищевыми добавками и пробиотиками для оптимизации продуктивности  и усиления резистентности домашней курицы с учетом влияния вышеуказанных генов.

Финансирование Работа выполнена при финансовой поддержке ФАНО (Госзадание № АААА-А18-118021590138-1).	Funding The work was supported by grant from FASO (№ АААА-А18-118021590138-1).
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Reddy K. V. Antimicrobial peptides: premises and promises / Reddy K. V., Yedery R. D., Aranha, C. // Agents 24, 536–547 (2004).
2. Guyot N. Proteomic analysis of egg white heparin-binding proteins: towards the identification of natural antibacterial molecules / Guyot N., Labas V., Harichaux G. and others // 2016, Scientific Reports.
3. 3.Volf J. Transient and Prolonged Response of Chicken Cecum Mucosa to Colonization with Different Gut Microbiota / Volf1 J., Polansky O., Varmuzova K. and others // PLOS ONE, 2016 doi:10.1371/journal.pone.0163932.
4. Crhanova M. Immune response of chicken gut to natural colonization by gut microflora and to Salmonella enterica serovar enteritidis infection / Crhanova M., Hradecka H., Faldynova M., and others //Infect Immun, 2011.
5. Mev J. The two mucus layers of colon are organized by the MUC2 mucin, whereas the outer layer is a legislator of host-microbial interactions / Proc Natl Acad Sci USA, 2011.
6. Matulova M. Chicken innate immune response to oral infection with Salmonella enterica serovar Enteritidis / Matulova M., Varmuzova K., Sisak F. and others // Vet Res, 2013. doi:10. 1186/1297-9716-44-37.
7. Richardson S.J. Evolutionary changes to transthyretin: evolution of transthyretin biosynthesis. FEBS J, 2009.
8. Sunkara L.T. Butyrate Enhances Disease Resistance of Chickens by Inducing Antimicrobial Host Defense Peptide Gene Expression / Sunkara L.T., Achanta M., Schreiber N.B. and others // PLoS ONE 2011 (11).
9. Ganz T. Defensins: antimicrobial peptides of innate immunity / Ganz T. // Nat Rev. 2003 // Immunol 3: 710–720.
10. Van Dijk A. CMAP27, a novel chicken cathelicidin-like antimicrobial protein / Van Dijk A., Veldhuizen E.J., Van Asten A.J. and others // Vet Immunol, Immunopathol, 2005 106: 321–327.
11. Goitsuka R. Chicken cathelicidin-B1, an antimicrobial guardian at the mucosal M cell gateway. / Goitsuka R., Chen C.L., Benyon L. and others // Proc Natl Acad Sci USA 2007 104: 15063–15068