昆虫先天性免疫信号通路研究进展

昆虫先天性免疫信号通路研究进展

摘 要：昆虫体内形成了强大的免疫防御系统，其被各种微生物攻击时能依靠病原相关分子模式识别蛋白对感染进行区分和激活体内信号通路诱导如抗菌肽之类的效应分子。昆虫体内控制先天性免疫的信号通路分别是：Toll通路、IMD通路和JAS／STAT通路，这3条通路在信号传递过程中存在协作，并且，这些通路与脊椎动物体内某些通路存在惊人相似、在免疫调控通路方面存在共同的进化起源。这揭示了先天性免疫在动物体内存在的普遍性和机体抵御病原感染的重要性。

关键词：先天性免疫；病原相关分子模式；信号通路

先天性免疫对于宿主防御病原微生物感染的作用重大，目前已经知道的先天性免疫系统主要有以下几大类成分：细菌识别蛋白、抗菌多肽、丝

氨酸蛋白酶、蛋白酶抑制剂、其他蛋白酶如酚氧化酶以及血淋巴调节蛋白。在过去的数年里，人们主要以果蝇和蚊子作为昆虫模式开展了一系列

研究，随着对昆虫免疫系统知识的迅速积累，

人们发现昆虫体内存在3条控制机体免疫反应的

通路：Toll通路、IMD通路和JAS／STAT通路。这

3条通路分别通过一系列蛋白裂解反应来影响昆

虫的体液免疫、细胞免疫和生长发育。在此，我们

结合自己的研究对昆虫先天免疫信号通路的组

成、作用及与脊椎动物的相似性等方面作一综述，

希望有助于对宿主防御病原微生物机制的理解。

1 病原相关分子的识别

在微生物中存在一些与其生命活动所必须的

保守结构——病原相关分子模式(PAMPs)，它们

在宿主中并不存在，是特异性激活先天性免疫系

统的配体，信号通路中的跨膜蛋白Toll和IMD均

不能直接识别这些分子．因此，信号通路只有在

能特异性识别病原相关分子模式的蛋白的参与才

能被激活。通过遗传学分析，人们鉴定了果蝇和

硬蝇中存在一系列介导这种特异性识别的分子，

细胞因子样的多肽spaezlae便是其中之一，果蝇

基因组中有6种编码这种蛋白的基因，在其缺失

时免疫攻毒不能激活果蝇内Toll信号通路和防御

素的表达，spaezlae需要被一系列蛋白裂解酶切

割成单体才能激活Toll通路。

遗传学分析鉴定了两个与spaezlae切割有关

的基因，这两个基因分别编码肽聚糖识别蛋白

(PRGP)和革兰氏阴性结合蛋白(GNBP)，它们被

缺失后都能导致Toll信号通路激活受阻；当二者

共同被大量表达时，Toll通路的激活可以不依赖

攻毒。因而，它们可能在激活导致spaelzae切割

的蛋白裂解酶中存在协作。

与Toll通路显著不同的是，人们对激活IMD

通路的受体与配体仍知之甚少，IMD信号通路的

新组分PGRP-LC最近才被鉴定，其跨膜区可能充

作IMD信号受体。然而，就革兰氏阴性感染存活

与抗菌肽基因激活而言，PGRP-LC基因突变分析

显示其并不比IMD通路中的其它功能缺少突变

体有更显著的效果；另外，血淋巴PGRP-LE在

激活抗菌肽表达时在IMD通路上游发挥作用。

因此，PGRP-LC不是活化IMD通路的惟一上游组

分，但却可能与其他受体、辅助受体分子一起作

为识别复合体的一部分而发挥作用。

此外，在发育期相邻细胞上的亮氨酸丰富的

胞外结构域的同亲性和异亲性反应可能作为活化

信号通路的模式，但Bacilli能通过其它的分子

模式激活IMD通路而非Toll通路；鼠中PRGP-S

基因被敲除后对低致病性革兰氏阳性菌的杀灭力

降低。因此，从遗传学角度来看，PRGPs在感染识

别中的作用可能类似于哺乳动物的TLRs。

2 ToU信号通路

Toll是果蝇脂肪体细胞上的跨膜蛋白受体，

其细胞外区域含有丰富的亮氨酸重复，细胞内结

构域显示了与白介素1的受体的相应部分有很大

的相似性，该区域通常被称为TlR域，发生真菌

或革兰氏阳性菌感染时，Toll借助它的TlR域与

细胞浆内两种蛋白——DmMyDss和Tube间相互

作用将信号传人细胞内，DmMyDsa和Tube都带有

TlR域和死亡域，DmMyD88与哺乳动物细胞内的

MyDs88同源，Tube在哺乳动物细胞内没有同源物，

它通过所带有的死亡受体和接头受体上的死亡域

征收丝氨酸—苏氨酸激酶pelle，于是DmMyDss，

Tube和Pelle基于Toll蛋白传来的信号在细胞浆

内形成复合体，缺失这些蛋白而无法形成复合体

的果蝇不能抵御革兰氏阳性菌和真菌感染．信号

从该复合体传给可诱导的NF-kB-Rel家族顺式激

活子，该激活子在细胞浆中与Rel蛋白的抑制子

casctus形成复合体。信号促使蛋白激酶磷酸化

Rel蛋白，casctus从蛋白复合体上脱离，并被蛋白

酶体所降解，磷酸化Rel蛋白被转运到细胞核调

节靶基因表达。Toll通路中的两种Rel蛋白分别

为Dorsal和Dorsal相关免疫因子(DIF)，前者在背

腹轴形成过程中介导Toll信号传递，后者是成虫

遭受真菌和革兰氏阳性菌感染时Toll信号传递的

主要介质。Dorsel在幼虫中能替代DIF，而DIF

在胚胎中弥补Dorsel的不足。

尽管Toll通路在抗革兰氏阳性菌和真菌感

染中的确切作用仍不十分清楚，但它的确增加

了各种抗菌肽的表达，因为攻毒依赖的Toll通

路的活化提高了成百上千基因的表达和加强了

细胞免疫功能。此外，果蝇基因组还包含有8

个编码跨膜受体的相关基因，它们胚胎发育多

样且处于动态的表达模式表明了在发育中的作

用。DmMyDs8与Toll特异性反应但不与Toll家

族中的其他大多数成员结合和在细胞培养实验

中除Toll5和Toll9外都不能激活果蝇抗菌肽表

达的事实表明其它8个Toll相关基因在宿主防

御中有作用。此外，在胚胎和幼虫发育过程中

果蝇的Toll蛋白显示了复杂的阶段和组织表达

特异模式，而不像哺乳动物TLRs仅在免疫效应

细胞中表达。

3 IMD信号通路

IMD通路主要控制抵御革兰氏阴性菌感染的

抗菌肽和防御素的表达。在20世纪90年代中

期，IMD通路主要在带有imd基因突变的果蝇表

型分析中被提及，该通路的特性直到最近由于在

遗传学和生化方面的研究使该通路中许多分子被

鉴定后才被阐明。

导致抗菌肽基因被诱导表达的关键事件是：

由果蝇基因组Relish基因编码的第3种Rel因子

的细胞核定位。该因子由Rel同源域(RHD)和带

有锚蛋白重复的IkB样抑制域组成，该IkB样域

经常充当RHD的抑制子，信号级联激活导致

Relish蛋白被内源性裂解酶在其caspase位点切

割，1kB样抑制域残留于细胞浆内，RHD转位到细

胞核引起目的基因转录，果蝇内的IKK信号复

合体等价物由与哺乳动物IKK7和IKK6亚单位相

关的蛋白组成。其发挥作用的机制可能是：信号

促使IKKp激酶被直接磷酸化后，复合体调节蛋白

裂解酶对Relish切割。IKK复合体上游的4

种蛋白被突变时都导致果蝇对革兰氏阴性菌感染

抵抗力和抗菌肽基因表达下降，这4种蛋白分别是

PGRP-LCt3；含有死亡域的蛋白IMD和dFADD；

caspase-8同源物DREDD；有丝分裂原活化蛋白3

(MAPs)激酶dTAK1。

C-末端带有死亡域的蛋白IMD与哺乳动物

受体反应蛋白(RIP)的死亡域有序列相似性，在

哺乳动物中，RIP、FADD和caspase-8在TNFRl信

号通路中作为调节分子对NK-kB激活与细胞凋

亡均必需，在果蝇中，IMD能通过同型DD与

dFADD反应，dFADD与DREDD反应。尽管目前

已广泛报道革兰氏阴性感染后包含有IMD／

dFADD／DREDD的复合体能被形成和存在IMD

位于dFADD和DREDD上游，以及dFADD位于

DREDD上游的遗传学证据，但该复合体究竟如何

将信号传人细胞导致IKK信号等价物被激活仍

不得而知，这很有可能是由dTAK,蛋白来完成此

项工作，dTAK：与哺乳动物MAP3激酶TAK,有结

构相似性，TAK1蛋白在信号级联传递中位于IKK

复合体上游，但遗传学研究表明其发挥功能时位

于IMD下游，dlKKa和dlKKr上游，并且已有报道

说完整的激酶域对于dTAK1激活抗菌肽基因表

达非常必要。

目前对DREDD在IMD通路中的确切作用仍

有争议，有人认为该分子可以直接切割Relish，这

一推论为如下观察结果所支持：1)Relish加工发生

于caspase靶位点；2)dFADD在免疫沉淀实验中与

DREDD反应；3)从遗传学角度讲，Relish发挥功能

时位于IKK复合体下游。然而，目前在体外没能

用纯化的DREDD和dlKKβ磷酸化的Relish重现

切割反应，这表明可能存在如下模式：一旦发生免疫攻毒，dFADD便征收DREDD，而与caspase-8的结构相似DREDD将征收和活化下游其它cas-pase蛋白切割磷酸化的Relish。有如下事实支持这一模式：IMD通路的活化能为病毒的caspase抑制子p35所封锁，但p35不抑制DREDD的活性。

将IMD信号通路与哺乳类TNFR1信号通路间发挥调节作用的组分相联系，即IMD和RIF，dFADD和FADD，DREDD和caspase－8，果蝇和哺乳类IKK复合体亚单位dlKKd和dlKKr，发现它们之间存在很大结构相似性，且这种相似性为下列发现所加强，imd基因的过表达诱导了Relish依赖的抗菌肽基因的表达和细胞凋亡，其等价于TNFR1通路中RIP在NF-kB激活和凋亡中的双重作用，尽管有必要深入了解IMD通路在凋亡调节中的作用，但这些数据表明IMD和TNFRl信号级联进化保守。

4 JAK／STAT信号通路

JAS／STAT通路最早在果蝇中被鉴定是由于其在胚胎卵裂中的作用。该通路中的4个主要组分是：配体、Unpaired(Upd)、受体domelex(Domc)、JAK(Hopschotch／Hop)和STAT(STAT92E／Marelle)。

在果蝇体内除这4个组分外至少还有3类细胞降解蛋白同源物存在，他们在哺乳动物中调节JAS／STAT信号通路，这些包括两种阴性调控蛋白：活化的STAT和细胞因子信号的抑制子和一种作用信号蛋白的接头分子，有趣的是：两个不同的转录产物都起源于STAT92E位点的双启动子，一些剪接体编码截断形式的STATg92E，如△STAT92E缺乏N-末端133个氨基酸，充作JAK／STAT信号通路的主要的阴性调控子，Upd是一种带有信号序列和N—末端糖基化位点的分泌蛋白，重组的Upd诱导磷酸化和Hop活化，故Upd是果蝇中激活JAK／STAT通路的配体，而激活的JAK／STAT通路的受体则由Dome编码，该受体是跨膜蛋白，仅与白血病抑制因子受体有一定同源性，Dome通过Hop和STAT92E传递信号，Hop为120kDa的蛋白，与人的JAK最相似，两者间有27％的同源性，但在激酶和激酶样域有更高的同源性，并且果蝇基因组内没有其他JAK蛋白。

STAT92E为83 kDa的蛋白，与人的STATs最相似，总共有37％的相似性，STAT92E含有SH2域、DNA结合域，一个C-末端酪氨酸残基被发现在所有的STAT样蛋白中存在，该残基在体外活化通路中被磷酸化，昆虫免疫反应中涉及JAS／STAT通路的证据来自对蚊子Arophekesgambiae的研究，对Arophekes SATA(aSTAT)的细胞核定位的免疫组化分析表明”：JAS／STAT 路活化的标志是活化的STAT到细胞核定位并激活靶基因，在没有被免疫攻毒的蚊子中，aSTAT在细胞浆和细胞核中都有；但在被攻毒蚊子中aSTAT仅在细胞核。此相似，STAT92E在有免疫攻毒时便进入脂肪体细胞的细胞核，并且这种转位在JAK活

性(hODM38／hopMav)降低的动物体内废除，而对带有JAK功能获得性突变的果蝇都能明显检测出活化的STAT存在于细胞浆和细胞核中。此外，硬蜱被攻毒时ADP和haebraein的表达量都增加。这些结果表明：在昆虫细胞中存在STAT的活化依赖JAK。

tepl是4成员基因家族中的一部分，其编码含硫酯的蛋白(TEPt)，与补体C3／a2巨球蛋白超家族成员有显著相似性，在幼虫和成虫中tepl均被低水平表达，而免疫攻毒后其在脂肪体中的表达量显著增加，在Toll受体功能获得性突变的果蝇TollloB中，tep1能被组成性表达．与此相反，在Hop功能缺失的幼虫中tep，的表达显著下降，这些表明repl可能是JAK／STAT通路的靶，而tepl在TollloB中的组成性表达可被hop功能缺失突变所抑制表明：Toll通路可能在JAS／STAT通路上游发挥作用。在IMD和Toll突变体中tep1被诱导表达的量与野生型的相同表明Toll和IMD通路都不能控制tepI的表达。

totA为编码一个多肽的基因，该多肽由幼虫脂肪体产生，在免疫攻毒等情况下在血淋巴中的表达会增加，在对带有hop(hopm38／hopmav)功能缺失的成蝇攻毒中证实totA表达需要JAK活性，序列分析表明：在totA位点至少存在4个STAT结合位点，这表明STAT可能在totA转录中被直接涉及，故用iota作为JAS／STAT活化的标记从而有助于进一步鉴定JAK／STAT通路组分，

5 结束语

目前对果蝇先天性免疫的大部分知识主要来自遗传学研究，其定义了Toll、IMD和JAS／STAT通路作为抗菌肽基因表达的主要调控子，最近的研究表明：除抗菌肽外，真菌和细菌感染诱导了数种以前未曾鉴定基因的转录。尽管这些通路与脊椎动物体内某些通路存在惊人相似和在免疫调控通路上存在共同的进化根源，但不清楚这些通路是否在所有的昆虫内严格保守，具体编码抗菌肽基因具体以何种机制整合来自各的信号等仍不清楚。所有这些问题有待我们进一步努力。