Types de cellules dans le sang du dragon de Komodo
Un échantillon de sang a été prélevé sur un dragon de Komodo nommé Tujah au Parc zoologique de la Ferme Alligator de Saint Augustine, conformément aux procédures de sécurité et de réglementation requises, et avec les approbations appropriées. Au moment de la collecte, nous étions intéressés à collecter à la fois de l’ADN génomique pour le séquençage ainsi que de l’ARNm pour générer une banque d’ADNc afin de faciliter nos études protéomiques. Chez les oiseaux, les hétérophiles (globules blancs) sont connus pour exprimer de multiples peptides antimicrobiens. Les peptides antimicrobiens identifiés chez les hétérophiles de poulet présentent des activités immunomodulatrices antimicrobiennes et dirigées vers l’hôte importantes. En conséquence, après avoir obtenu un premier échantillon de sang frais de dragon de Komodo, nous avons permis aux globules blancs de se déposer hors du sang et les avons collectés car ils étaient susceptibles d’être impliqués dans l’expression des peptides antimicrobiens. Les globules blancs du dragon de Komodo collectés ont ensuite été divisés uniformément, la moitié étant traitée pour l’isolement de l’ADN génomique en vue du séquençage et de la génération de banques, et l’autre moitié réservée à l’extraction de l’ARNm pour nos études protéomiques.
Nous avons ensuite effectué des frottis et identifié les différents types de cellules que nous avons observés. L’identification des cellules immunitaires dans le sang de dragon de Komodo est difficile en raison du nombre limité de publications pour référence. Les différents types de cellules observés dans les frottis sanguins tachés de Wright sont représentés à la Fig. 2. Nous avons identifié ces cellules en fonction de la similitude avec les cellules immunitaires que nous avions précédemment identifiées dans le sang d’alligator américain. Les globules rouges nucléés volumineux et allongés de ce reptile étaient intéressants. De plus, nous avons pu identifier des hétérophiles (similaires aux granulocytes), une source probable de peptides de cathélicidine, ainsi que des cellules monocytaires et lymphocytaires.
Un deuxième échantillon de sang de dragon de Komodo a ensuite été collecté et traité pour l’extraction de l’ADN génomique par la génomique à queue d’aronde pour un séquençage supplémentaire. Les chercheurs de la génomique en queue d’aronde n’ont pas séparé les globules blancs et ont plutôt extrait l’ADN de cellules granulées directement à partir du sang total.
Assemblage et annotation du génome du dragon de Komodo
Des analyses antérieures des érythrocytes du dragon de Komodo par cytométrie en flux ont estimé la taille du génome à environ 1,93 Go. En utilisant des approches profondes de séquençage Illumina et de queue d’aronde, nous avons obtenu un assemblage de génome préliminaire de 1,60 Go, similaire à la taille du génome du lézard A. carolinensis qui est de 1,78 Go. Le projet d’assemblage contient 67 605 échafaudages avec N50 de 23,2 Mo (tableau 1). Un total de 17 213 gènes ont été prédits et 16 757 (97,35%) d’entre eux ont été annotés. Les estimations d’exhaustivité avec le CEGMA étaient de 56 % ( » complètes « ) et de 94 % ( » partielles « ). Le pourcentage estimé de répétitions dans le génome est de 35,05%, la majorité étant des lignées (38,4%) et des SINUS (5,56%) (Fichier supplémentaire 1: Fig. S1 & Fichier supplémentaire 2 : Tableau S1). Les données génomiques seront disponibles chez NCBI avec des lectures de séquençage brutes déposées dans l’Archive de lecture de séquences (#SRP161190), et l’assemblage du génome chez DDBJ/ENA/GenBank sous l’adhésion #VEXN00000000. La version d’assemblage décrite dans cet article est VEXN01000000.
L’identification de l’immunité innée potentielle et des gènes peptidiques antimicrobiens
L’immunité innée chez les reptiles est un aspect essentiel de leur succès évolutif, mais elle reste mal comprise chez ces animaux. L’immunité innée est définie comme les aspects de l’immunité qui ne sont pas des anticorps et non des lymphocytes T. Les réponses immunitaires innées aux agents pathogènes envahissants peuvent inclure l’expression de cytokines; l’activation et le recrutement de macrophages, de leucocytes et d’autres globules blancs; et l’expression de peptides antimicrobiens tels que les défensines et les cathélicidines.
Nous avons adopté une approche basée sur la génomique pour identifier les gènes d’immunité innée dans le génome du dragon de Komodo dans ce travail. Nous avons séquencé le génome de Komodo et l’avons examiné à la recherche de gènes et d’amas de gènes peptidiques antimicrobiens importants de l’immunité innée (β-défensines, ovodéfensines et cathélicidines), qui sont probablement impliqués dans l’expression de l’immunité innée chez ce lézard géant.
la β-défensine et les gènes associés dans le génome de Komodo
Les défensines sont un exemple de peptides antimicrobiens stabilisés au disulfure, les β-défensines étant une famille unique de vertébrés de peptides antimicrobiens cationiques stabilisés au disulfure impliqués dans la résistance à la colonisation microbienne au niveau des surfaces épithéliales. Les peptides de β-défensine sont définis par un motif caractéristique de six cystéines avec un espacement des résidus de cystéine conservé (C-X6–C–X(3-5)–C–X(8-10)–C–X6–CC) et un motif de liaison disulfure associé (Cys1–Cys5, Cys2-Cys4 et Cys3-Cys6); cependant, des variations du nombre et de l’espacement entre les résidus de cystéine ont été observées. Comme avec d’autres peptides antimicrobiens cationiques, les β-défensines présentent généralement une charge nette positive (cationique, basique).
L’un des premiers rapports exhaustifs d’un rôle in vivo pour l’expression peptidique de la β-défensine chez les reptiles est l’expression inductible des β-défensines chez les lézards anoles blessés (Anolis carolinensis). Les neutrophiles de reptiles semblent avoir des granules qui contiennent à la fois des peptides de type cathélicidine et des peptides de β-défensine. on trouve également des peptides de type β-défensine dans les œufs de reptiles. Il est bien connu que certaines espèces de lézards peuvent perdre leurs queues comme méthode d’évasion des prédateurs, et que ces queues se régénèrent ensuite à partir du site de la plaie sans inflammation ni infection. les peptides β-défensines sont exprimés à la fois dans les granulocytes azurophiles du lit de plaie ainsi que dans l’épithélium associé et sont observés dans les phagosomes contenant des bactéries dégradées. Il y a un manque distinct d’inflammation dans la plaie, qui est associée à la régénération, et deux β-défensines en particulier sont exprimées à des niveaux élevés dans les tissus cicatrisants Dans l’ensemble, il semble y avoir un rôle important pour les β-défensines dans la cicatrisation et la régénération de la plaie chez le lézard anole.
on a généralement observé que les gènes de la β-défensine résident en grappes dans les génomes des vertébrés. Chez l’homme, jusqu’à 33 gènes de β-défensine ont été identifiés dans cinq amas. Récemment, des analyses des génomes de plusieurs espèces aviaires, dont le canard, le pinson zébré et le poulet, ont révélé que le génome de chaque espèce contenait un amas de β-défensine. Un groupe de gènes de type β-défensine a récemment été identifié chez le lézard anole (Prickett, MD, travaux non publiés en cours), qui est étroitement apparenté au dragon de Komodo. Fait intéressant, le gène de la cathepsine B (CTSB) a été identifié comme un marqueur fort des amas de β-défensine chez l’homme, la souris et le poulet. Ainsi, nous avons examiné le génome de Komodo pour le gène de la cathepsine B (CTSB) comme marqueur potentiel pour aider à l’identification du ou des amas de β-défensine qui s’y trouvent.
Grâce à ces analyses, nous avons identifié un total de 66 gènes potentiels de β-défensine dans le génome du dragon de Komodo, dont 18 seraient des gènes de β-défensine spécifiques au dragon de Komodo (tableau 2). Les gènes β-défensine identifiés à partir du génome du dragon de Komodo présentent des variations dans l’espacement de la cystéine, la taille des gènes, le nombre de résidus de cystéine qui composent le domaine β-défensine, ainsi que le nombre de domaines β-défensine. En ce qui concerne l’espacement des résidus de cystéine conservés, en particulier à l’extrémité (C–X6–C–X(3-5)–C–X(8-10)–C–X6–CC), nous avons constaté une variabilité considérable dans notre analyse des gènes de la β-défensine dans le génome du dragon de Komodo, en ce que cinq gènes de la β-défensine du dragon de Komodo ont sept résident entre les dernières cystéines, 16 ont six résidus entre les dernières cystéines, 42 ont cinq résidus entre les dernières cystéines et trois β-dragon de Komodo les gènes de la défensine présentent des schémas d’espacement cystéine-résidus plus complexes (tableau 2).
Comme pour les oiseaux et les autres reptiles, la majorité des gènes de défense du dragon de Komodo semblent résider dans deux amas distincts au sein du même bloc synténique (Fig. 3). Un amas est un amas de β-ovodéfensine flanqué d’une extrémité par le gène de la famille des sous-unités du complexe de groupe sanguin de Kell, le membre 6 (XKR6) et de l’autre extrémité par le gène de la protéine 9 liée à la myotubularine (MTMR9). La région intercluster d’environ 400 000 pb comprend les gènes de la Famille de similarité de séquence 167, membre A (FAM167A); Proto-oncogène BLK, tyrosine kinase de la famille Src (BLK); Farnésyl-diphosphate farnésyl transférase 1 (FDFT1); et CTSB (cathepsine B), qui est un gène d’accompagnement du cluster β-défensine (Fig. 3). Chez les oiseaux, les tortues et les crocodiliens, l’autre extrémité de l’amas de β-défensine est suivie par le gène de la protéine membranaire associée à la translocation 2 (TRAM2). Comme c’est le cas pour tous les autres génomes de squamates (lézards et serpents) étudiés, le gène flanquant l’extrémité de l’amas de β-défensine ne peut pas être déterminé de manière définitive à l’heure actuelle car il n’existe pas de génomes de squamates avec des amas intacts disponibles.
L’extrémité du cluster pourrait être flanquée de XPO1 ou TRAM2 ou ni l’un ni l’autre. Deux des trois gènes trouvés sur l’échafaudage 45 avec TRAM2 (VkBD80a, VkBD80b) sont presque identiques et potentiellement le résultat d’un artefact d’assemblage. Les gènes sont des orthologues pour le gène final dans les amas de β-défensine aviaire, de tortue et de crocodilien. L’orthologue de l’anole pour ce gène est isolé et n’est pas associé à TRAM2, XPO1, ni à d’autres β-défensines, et il n’y a pas de β-défensines trouvées à proximité de l’anole TRAM2. Deux des sept gènes associés à XPO1 ont des orthologues avec l’un des cinq gènes anoles associés à XPO1, mais il ne peut être déterminé chez l’une ou l’autre des espèces si celles-ci font partie du reste de l’amas de β-défensine ou font partie d’un amas supplémentaire. Les orthologues de serpent sont associés à TRAM2 mais ne font pas partie de l’amas.
Diversité structurale
La diversité peut être observée dans les variations de structure du domaine β-défensine. Typiquement, une β-défensine se compose de 2-3 exons: un peptide signal, un exon avec le domaine propiece et β-défensine avec six cystéines, et dans certains cas, un troisième exon court. Des variations du nombre de domaines β-défensine, de la taille des exons, du nombre d’exons, de l’espacement atypique des cystéines et/ou du nombre de cystéines dans le domaine β-défensine peuvent être trouvées chez toutes les espèces reptiliennes étudiées (non publiées). Il existe trois β-défensines avec deux domaines de défensine (VkBD7, VkBD34 et VkBD43) et une avec trois domaines de défensine (VkBD39). Les gènes β-défensine du dragon de Komodo VkBD12, VkBD13 et VkBD14 et leurs orthologues dans les anoles ont des exons atypiquement grands. Le groupe des β-défensines entre VkBD16 et VkBD21 possède également des exons atypiquement grands. L’espacement atypique entre les résidus de cystéine se trouve dans trois β-défensines, VkBD20 (1-3-9-7), VkBD57 (3-4-8-5) et VkBD79 (3-10-16-6). Il y a quatre β-défensines avec des résidus de cystéine supplémentaires dans le domaine de la β-défensine: VkBD6 avec 10 résidus de cystéine, et un groupe de trois β-défensines, VkBD16, VkBD17 et VkBD18, avec huit résidus de cystéine.
Les deux domaines β-défensine de VkBD7 sont homologues à l’un domaine β-défensine de VkBD8 avec des orthologues chez d’autres espèces de Squamata. Chez le lézard anole A. carolinensis, il y a deux orthologues, LzBD6 avec un domaine β-défensine et le non-cluster LzBD82 avec deux domaines β-défensine. Les orthologues des serpents (SnBD5 et SnBD6) ont un domaine β-défensine. VkBD34 est un orthologue de LzBD39 chez les anoles et SnBD15 chez les serpents. VkBD39 et VkBD43 sont constitués respectivement de trois et deux domaines homologues de β-défensine, qui sont homologues aux troisièmes exons de LzBD52, LzBD53 et LzBD55, qui ont tous deux domaines non homologues de β-défensine. VkBD40 avec un domaine de β-défensine est homologue aux deuxièmes exons de LzBD52, LzBD53, LzBD54 (avec un domaine de défensine) et LzBD55.
Une augmentation du nombre de cystéines dans le domaine de la β-défensine entraîne éventuellement la formation de ponts disulfures supplémentaires. Des exemples de cette variation peuvent être trouvés dans la psittacine β-défensine, Psittaciforme AvBD12. Le domaine β-défensine de VkBD6 semble être constitué de 10 cystéines, dont quatre font partie d’une extension après un domaine β-défensine typique avec une cystéine appariée supplémentaire (C-X6-C-X4-C-X9-C-X6-CC-X7-C-X7-CC-X5-C). Le groupe des β-défensines de Komodo VkBD16, VkBD17 et VkBD18, en plus d’avoir un espacement atypique des cystéines, contient également huit cystéines dans un nombre typique de résidus. La β-défensine qui suit ce groupe, VkBD19, est un paralogue de ces trois gènes ; cependant, le domaine de la β-défensine contient les six résidus de cystéine les plus typiques.
Les structures géniques de ces gènes de la β-défensine de Komodo sont sujettes à confirmation avec des preuves à l’appui. Il existe un certain nombre d’éléments de structure atypiques chez les lézards anoles, y compris des exons de domaine non β-défensine supplémentaires ou des exons plus gros.
Les analyses des séquences peptidiques codées par les gènes β-défensine du dragon de Komodo nouvellement identifiés ont révélé que la majorité (53 sur 66) d’entre eux ont une charge nette positive aux conditions physiologiques, comme c’est typique pour cette classe de peptides antimicrobiens (Tableau 3). Cependant, il est à noter que quatre peptides (VkBD10, VkBD28, VkBD30 et VkBD34) devraient être faiblement cationiques ou neutres (+0,5–0) à pH 7, tandis que neuf peptides (VkBD3, VkBD4, VkBD11, VkBD19, VkBD23, VkBD26, VkBD35, VkBD36 et VkBD37 ) sont prédites faiblement à fortement anioniques. Ces résultats suggèrent que bien que ces peptides présentent des caractéristiques structurales de la β-défensine canonique et résident dans des groupes de gènes de la β-défensine, un ou plusieurs de ces gènes peuvent ne pas coder pour des peptides de type β-défensine ou des β-défensines canoniques, car les β-défensines sont généralement cationiques et leur charge positive contribue à leur activité antimicrobienne.
Identification des gènes d’ovodéfensine du dragon de Komodo
Des gènes d’ovodéfensine ont été trouvés chez plusieurs espèces d’oiseaux et de reptiles, avec une expression trouvée dans le blanc d’œuf et d’autres tissus. Il a été démontré que les ovodéfensines, y compris la galline peptidique de poulet (Gallus gallus OvoDA1), ont une activité antimicrobienne contre E. coli à Gram négatif et S. aureus à Gram positif. Les β-ovodéfensines présumées se trouvent dans un groupe dans le même bloc synténique que le groupe β-défensine chez les oiseaux et les reptiles. On a trouvé 19 β-ovodéfensines chez A. carolinensis (une avec un domaine à huit cystéine β-défensine) et cinq chez des serpents (quatre avec un domaine à huit cystéine β-défensine) (Prickett, MD, travaux non publiés en cours). L’amas du dragon de Komodo est constitué de six β-ovodéfensines (Tableaux 4 et 5). Deux d’entre eux peuvent être spécifiques au dragon de Komodo; VkOVOD1, qui est un pseudois un orthologue de SnOVOD1 en plus de la première β-ovodéfensine chez les tortues et les crocodiliens. Les domaines de défense VkOVOD3, VkOVOD4 et VkOVOD6 sont constitués de huit cystéines, orthologues de SnOVOD2, SnOVOD3 et SnOVOD5, respectivement. VkOVOD4 et VkOVOD6 sont des orthologues de LzOVOD14.
Identification des gènes de cathélicidine du dragon de Komodo
Des gènes de peptide de cathelcidine ont récemment été identifiés chez les reptiles par des approches génomiques. Plusieurs gènes peptidiques de la cathélicidine ont été identifiés chez les oiseaux, les serpents et le lézard anole. La libération de peptides antimicrobiens fonctionnels de cathélicidine a été observée chez les hétérophiles de poulet, suggérant que les hétérophiles reptiliens pourraient également être une source de ces peptides. Alibardi et coll. ont identifié des peptides de cathélicidine exprimés dans des tissus de lézards anoles, y compris associés à des hétérophiles. On pense que les peptides antimicrobiens de la cathélicidine jouent un rôle clé dans l’immunité innée chez d’autres animaux et jouent probablement également ce rôle chez le dragon de Komodo.
Chez les lézards anoles, le cluster de gènes de la cathélicidine, constitué de 4 gènes, est organisé comme suit: < FASTK > cluster de cathélicidine < KLHL18 >. Nous avons cherché un amas de cathélicidine similaire dans le génome du dragon de Komodo. La recherche de gènes de type cathélicidine dans le génome du dragon de Komodo a révélé un groupe de trois gènes qui ont un « domaine de type cathéline », qui est la première exigence d’un gène de la cathélicidine, situé à une extrémité de saffold 84. Cependant, cette région de l’échafaudage 84 a des problèmes d’assemblage avec des lacunes, des exons isolés et des duplications. Les gènes identifiés de cathélicidine du dragon de Komodo ont été nommés d’après leurs orthologues d’anole. Deux des cathélicidines du dragon de Komodo (Cathélicidine2 et Cathélicidine4.1) sont en sections sans problème d’assemblage. En revanche, la Cathlicidine 4.2 a été construite en utilisant un ensemble diversifié d’exons 1-3 et un exon 4 mal placé pour créer un gène complet, qui est paralogique à la Cathélicidine 4.1. Comme l’amas se trouve à une extrémité de l’échafaudage, il peut y avoir d’autres cathélicidines non identifiées qui ne sont pas capturées dans cet assemblage.
Une caractéristique commune des séquences de gènes peptidiques antimicrobiens de la cathélicidine est que le domaine cathéline N-terminal code pour au moins 4 cystéines. Dans notre étude des cathélicidines d’alligator et de serpent, nous avons également noté que, généralement après la dernière cystéine, un motif à trois résidus constitué de VRR ou d’une séquence similaire précède immédiatement le peptide antimicrobien C-terminal cationique prédit. Les exigences supplémentaires d’une séquence de gènes peptidiques antimicrobiens de cathélicidine sont qu’elle code pour un peptide chargé net positif dans la région C-terminale, qu’elle est typiquement codée par le quatrième exon et qu’elle a généralement une longueur d’environ 35 aa (plage 25-37). Étant donné que la protéase naturelle responsable du clivage et de la libération des peptides antimicrobiens fonctionnels n’est pas connue, il est difficile de prédire le site de clivage exact. Comme on peut le voir dans le tableau 6, les séquences d’acides aminés prédites pour chacun des candidats au gène cathélicidine du dragon de Komodo identifiés sont listées. En effectuant notre analyse sur chaque séquence, nous avons fait des prédictions et des conclusions quant à savoir si chaque gène potentiel de cathélicidine peut coder pour un peptide antimicrobien.
On voit que la séquence protéique N-terminale prédite de Cathelicidin2_VARKO (VK-CATH2) contient quatre cystéines (soulignée, Tableau 6). Cependant, il n’y a pas de séquence « VRR » évidente ou similaire dans les ~ 10 acides aminés suivant le dernier résidu de cystéine comme nous l’avons vu dans les séquences d’alligator et de cathélicidine apparentées. De plus, l’analyse des 35 acides aminés C-terminaux révèle une séquence peptidique prédite dépourvue de charge positive nette. Pour ces raisons, nous prédisons que la séquence du gène Cathelicidin2_VARKO ne code pas pour un peptide antimicrobien de cathelicidine actif à son extrémité C (tableau 7).
Pour le gène Cathelicidin4.1_VARKO identifié, le domaine cathéline prédit comprend les quatre résidus de cystéine requis (tableau 6), et la séquence « VTR » est présente dans 10 acides aminés de la dernière cystéine, similaire à la séquence « VRR » dans le gène de la cathélicidine d’alligator. Le peptide C-terminal 33-aa suivant la séquence « VTR » est prédit pour avoir une charge nette + 12 à pH physiologique, et une grande partie de la séquence est prévue pour être hélicoïdale, ce qui est compatible avec les cathélicidines. La majorité des cathélicidines connues contiennent des segments à structure hélicoïdale significative. Enfin, l’analyse de la séquence à l’aide de la Base de données de Peptides Antimicrobiens indique que le peptide est potentiellement un peptide antimicrobien cationique. Par conséquent, nous prédisons que ce gène code probablement pour un peptide antimicrobien actif de la cathélicidine, appelé VK-CATH4.1 (tableau 7).
De plus, ce peptide présente une certaine homologie avec d’autres peptides antimicrobiens connus dans la Base de données sur les peptides antimicrobiens (Tableau 8). Il présente une similitude de séquence particulièrement élevée avec les peptides de cathélicidine identifiés à partir de squamates, avec des exemples inclus dans le tableau 8. Ainsi, le peptide VK-CATH4.1 prédit possède de nombreuses caractéristiques caractéristiques d’un peptide de cathélicidine et est un candidat solide pour une étude plus approfondie. Le tableau 8 montre l’alignement de VK_CATH4.1 avec des peptides connus dans la Base de données de peptides antimicrobiens.
Pour le gène Cathelicidin4.2_VARKO identifié, le domaine cathelin prédit comprend les quatre résidus cystéine requis (tableau 6). Comme cela a été noté dans le gène Cathelicidin4.1_VARKO, la séquence « VTR » est présente au sein de 10 acides aminés du quatrième résidu de cystéine, et précède immédiatement le segment C-terminal, qui code pour un peptide 30-aa qui est prédit comme antimicrobien. La séquence d’acides aminés du peptide C-terminal est prévue pour avoir une charge nette + 10 à pH physiologique, et elle démontre divers degrés d’homologie avec d’autres peptides antimicrobiens connus dans la base de données de peptides antimicrobiens. Ainsi, comme VK-CATH4.1, ce peptide candidat présente également de nombreuses caractéristiques caractéristiques associées aux peptides de cathélicidine, et est un deuxième candidat fort pour une étude plus approfondie. Le tableau 8 montre l’homologie et l’alignement de VK-CATH4.2 avec des peptides connus de la Base de données des Peptides antimicrobiens. Enfin, la séquence génique codant pour le peptide fonctionnel VK-CATH4.2 se trouve sur l’exon 4, qui est l’emplacement typique du peptide cathélicidine actif. Cet exon code la séquence peptidique LDRVTRRRWRRFFQKAKRFVKRHGVSIAVGAYRIIG.
Le peptide prédit VK-CATH4.2 est hautement homologue avec des peptides d’autres gènes de cathélicidine prédits, avec des peptides C-terminaux prédits similaires, d’A. carolinensis, G. japonicus et P. bivittatus (tableau 8). Résidus 2-27 de VK-CATH4.2 sont identiques à 65% et similaires à 80% à l’anole Cathélicidine-2 comme le peptide C-terminal prédit (XP_008116755.1, aa 130-155). Les résidus 2-30 de VK-CATH4.2 sont identiques à 66% et similaires à 82% au peptide C-terminal prédit lié à la cathélicidine du gecko (XP_015277841.1, aa 129-151). Enfin, les aa 2-24 de VK-CATH4.2 sont identiques à 57% et similaires à 73% au peptide C-terminal prédit de type OH-CATH lié à la cathélicidine (XP_007445036.1, aa 129-151).