昆虫免疫

1昆虫免疫与信号传导摘要对于无脊椎动物抵御外来物质和病原体来说，先天免疫是迅速和唯一的免疫反应。昆虫依靠体液和细胞通过识别受体和激活免疫通路发挥免疫效应。脂肪体和血细胞产生以及分泌抗菌因子，但是在昆虫里血细胞才参与细胞免疫。近年来，研究集中在微生物识别机理以及对抗外来物质时细胞内信号分子的激活。这篇综述总结了昆虫先天免疫的机理，结合信号通路和它们的交叉反应涉及到了细胞免疫与体液免疫的潜在关联。关键字：昆虫先天免疫信号通路AbstractTheinnateimmunityistheimmediateandsoleresponseofinvertebratesfortheprotectionagainstforeignsubstancesandpathogens.Ininsects,itreliesonbothhumoralandcellularresponsesthataremediatedviacertainrecognizingreceptorsandactivationofseveralsignallingpathways.Fatbodyandhemocytesaretheoriginsfortheproductionandsecretionofantimicrobialagentsandactivators/regulatorsofcellularresponse,whilecellmediatedimmunityininsectsisperformedbyhemocytes.Inthelastyears,researchhasfocusedonthemechanismsofmicrobialrecognitionandactivationofintracellularsignallingmoleculesinresponsetoinvaders.Inthisreview,Isummarizethemechanismsoftheinnateimmunityininsectsandrefertopotentialinteractionsbetweenhumoralandcellularresponses,combinedwiththeinvolvingsignallingpathwaysandtheircrosstalk.KeyWords:insectsinnateimmunitysignallingpathways21前言生物周围危机四伏。为了生存，他们进化出了许多防御机制，包括免疫系统。这些机制保护它们抵御外来物质和病原体的入侵。一旦遭到入侵，第一道防线快速而有效，包括非特定的细胞和体液。体液反应和细胞反应的区别，集中到一点上，那就是它们共享相同的信号通路，但是被不同的刺激激活。这些机理包括在无脊椎动物唯一的先天免疫中。脊椎动物进化出第二道防线，即特异性的获得性免疫，时时刻刻针对专一的侵害。昆虫作为一种地球上分布最广的多细胞动物，已经进化出能广泛而快速地对传染因子做出反应的固有免疫，但缺乏获得性免疫。抵御病原物开始于特定的障碍如表皮，肠道和气管，这些很难穿透的组织，但是免疫反应始于脂肪体和血细胞。脂肪体是昆虫最大的体腔，也是抗菌肽产生和分泌的主要地方。血细胞在血淋巴流通，它们来源于分化不同的干细胞。然而，特定的血细胞类型在所有昆虫里不同，不同种之间血细胞类型也不同［3］。体液免疫反应基于免疫基因被微生物感染诱导及编码的抗菌肽，这些抗菌肽在脂肪体合成并释放到血淋巴［4，7］。血细胞，体壁的上皮层细胞和中肠也能合成这些分子。在感染前，这些基因或不表达或基本上很低水平表达［4］。另外，体液免疫反应包括控制凝固和黑化反应的酶联激活，活性氧和氮类物质的产物（ROS-RNS）。细胞反应通过血细胞作用，包括吞噬，结瘤和包被［10，12，13，14］。有许多重要的综述文献详细记载了在昆虫里的免疫通路以及先天免疫机理。这篇文章就是这些机理的综述，大体上描述了体液和细胞免疫反应的信号转导通路，并强调了它们之间的交互通信。2昆虫先天免疫的起源2.1脂肪体昆虫幼虫的脂肪体是中间代谢的重要部位，相当于脊椎动物的肝脏。它由薄层或叫伸展层，大约1或2个厚细胞层组成，或者小肿囊悬挂在体腔中，分布在昆虫的全身［15］。这个组织可以作为脂肪，碳水化合物和蛋白质的储藏所，血细胞里大部分蛋白质在这里合成。脂肪体是所有主要的昆虫激素目标分泌组织，如神经素，保幼激素和蜕皮素［16］,同时也是微生物感染的反应场所。脂肪体里特定的免疫基因，被微生物感染诱导并编码抗菌肽，然后释放到血淋巴中［4，17］。果蝇里有七种抗菌肽被命名，如天蚕素，抗击素，防御素，drosocin，diptericin，metchnikowin以及抗真菌的drosomycin［18］。此外，鳞翅3目脂肪体合成并分泌好几种蛋白质，如模式识别蛋白（血细胞凝集素）和两种免疫丝氨酸蛋白酶：酚氧化酶原蛋白酶和从属于丝氨酸蛋白酶抑制剂家族的一种丝氨酸蛋白酶抑制剂［19］。2.2血细胞昆虫没有血管。血液和组织液不能区分，统称血淋巴，遍布于昆虫所有组织，器官和血细胞，并且促进运输营养物质，废物和代谢物。在鳞翅目（烟草天蛾,家蚕）和双翅目（黑腹果蝇,地中海实蝇）的血淋巴中，最常见的血细胞类型是粒细胞和浆细胞［20，21］。但是，这种血细胞并非在所有昆虫里都有。此外，不同昆虫血细胞的命名术语也不同［23］，尽管它们的血细胞功能相似。在果蝇中，浆细胞是专一的吞噬细胞，相当于哺乳动物来自单核细胞系的细胞。在胚胎发育，变异和病原物感染期间，吞噬细胞能迅速清除死细胞。浆细胞能合成并分泌抗菌肽和发出信号到幼虫脂肪体内，功能相当于哺乳动物的肝脏，用于对感染做出反应［24］。基于形态学标准，类似于果蝇的血细胞类型被标识和划分到C.capitata幼虫，虽然它们功能上有很大的不同。当地中海果蝇浆细胞包含酚氧化酶级联反应前体时，除了吞噬活性，会出现结瘤结构和黑化反应［10，14，25］。3模式识别蛋白/受体体液和细胞初始免疫反应的第一步是识别病原物。这需要模式识别受体（PRPs）来完成，PRPs识别并结合病原物表面保守部位，称作病原相关分子模式（PAMPs）［26］。最具特异性的病原相关分子模式是C型凝集素，肽聚糖识别蛋白，β-1，3-葡聚糖蛋白，抗血细胞聚集素和整合素［27，28，29］。这些蛋白质存在于脂肪体细胞和血细胞的质膜中，或者溶解于血淋巴中。这些蛋白质结合脂质和碳水化合物被微生物合成并释放到表面，如格兰氏阴性菌的脂多糖（LPS），格兰氏阳性菌的磷壁酸和肽聚糖，以及真菌的β-1，3-葡聚糖［30］。特异性的PRPs主要从果蝇的研究中获得。果蝇特定的血细胞蛋白识别受体是唯一的，但是其他昆虫之间或昆虫与哺乳动物之间却有同源受体［25］。PRPs结合入侵者的PAMPs诱导抗菌蛋白合成，或启动酚氧化酶级联反应解蛋白作用活化，或者激活细胞免疫反应，导致入侵者被吞噬，形成结瘤以及包被［25，31］。3.1免疫凝集素凝集素是糖识别分子，在免疫相关反应里区别自我与非我或者决定自我修饰中起重要作用。果蝇的19种基因起初已经被鉴定为C型凝集素家族成员，但是每种基因特有的功能没确定［32］。基于全部域结构，C型凝集素分为7组。对总科代表性昆虫的多个已4知基因组序列分析后，增加了10个新组［33］。在鳞翅目昆虫里，酚氧化酶激活，吞噬作用和结瘤结构都有免疫凝集素［34，35］。3.2肽聚糖识别蛋白肽聚糖由3到5个氨基酸组成的核心肽段和糖类物质组成，存在于革兰氏阳性菌表面［36，37］。肽聚糖是由脂肪体、体壁，中肠合成并分泌的胞外蛋白，血细胞仅微量合成和分泌［36］。它们通过同源域被定义为酰胺酶。一些蝇类和哺乳动物类的肽聚糖识别蛋白表现出酰胺酶活性，部分其他的肽聚糖识别蛋白可能也有酰胺酶活性。另外，一些肽聚糖识别蛋白缺乏必要的激活位点半胱氨酸，因此只有识别功能，没有酶活［38］。通过流通的PGRPs识别革兰氏阴性或革兰氏阳性菌的肽聚糖，激活Toll或IMD胞内信号通路，尤其导致两种NF-Kb/Rel蛋白的中心位移以及激活抗菌肽基因的表达。胞内信号通路的详细信息之前已经被评估过［39，40］。3.3β-1，3-葡聚糖识别蛋白果蝇内存在革兰氏阴性菌结合蛋白(DGNBP)家族。DGNBP-1存在于可溶的和糖基磷脂酰肌醇锚定的膜上，在革兰氏阴性菌中作为脂多糖模式识别受体，在真菌中作为β-1，3-葡聚糖模式识别受体，以及在人工饲养的果蝇免疫细胞诱导抗菌肽基因编码中调节固有免疫信号［41］。真菌和细菌的两种生物感受器，即β-1，3-葡聚糖识别蛋白（βGRPs）存在于烟草天蛾的血淋巴中［42］。两种βGRPs特异性识别可溶或不溶的β-1，3-葡聚糖和脂多糖，通过蛋白相互作用结合在血淋巴蛋白酶前体细胞表面，促使酚氧化酶原（proPO）激活系统［42］。类似的酚氧化酶原（proPO）激活系统发生在甲虫黄粉虫中［43］。3.4抑血细胞凝集素抗血细胞凝聚素由脂肪体合成，是免疫球蛋白超家族成员。Hyalophoracecropia和烟草天蛾存在抗血细胞凝集素，当细菌感染时，浓度提高到20倍，但没有抗菌肽活性［44，45］）。在烟草天蛾中，抗血细胞凝集素识别并结合革兰氏阴性菌的脂多糖和革兰氏阳性菌的磷壁酸，导致它们的聚集［35，46］。但是必须知道脂多糖和磷壁酸的结合在抗血细胞凝集素的相同位置。抗血细胞凝集素可能结合在细菌细胞壁的糖脂上，作为广泛的模式识别蛋白用以抵御感染。在H.cecropia中，抗血细胞凝集素结合细菌的脂多糖，然后依赖钙离子，结合血细胞，激活蛋白激酶C，促使吞噬作用［44，46］。3.5整合素整合素是表面蛋白，多细胞动物（从海绵到人类）能广泛表达，它参与黏附，迁移和组织生成。整合素识别并结合特定细胞表面的精氨酸-丝氨酸-天冬氨酸基元，或者胞5外基质，或者可溶性蛋白（胶原蛋白，层黏连蛋白，纤维连接蛋白）。整合素是识别外来因子和起始免疫反应的主要分子。在地中海果蝇中，整合素存在于革兰氏阴性和阳性菌的浆细胞吞噬作用中，但不存在于脂多糖或非生物目标吸收中［22，47］。在烟草天蛾中，整合素在刺激能引起包被作用的血细胞黏附中扮演关键角色［48］。4体液免疫反应入侵的病原物如细菌，真菌甚至病毒的识别伴随着抗菌肽（AMPs）的从头合成并分泌到血淋巴。这些抗菌肽主要由脂肪体合成；血细胞，体壁，中肠，唾液腺和生殖器也有少量合成［49］。昆虫里超过150种抗菌肽被分离和鉴定。这些是小分子，12-50个氨基酸的阳离子肽段，结合阴离子的细菌或真菌的细胞膜，导致细胞分解和死亡。虽然抗菌肽有不同的结构和靶标机体（细菌或真菌），但是可以分为四种：a)天蚕素，b)半胱氨酸富肽，c)富含脯氨酸的抗菌肽，d)富含甘氨酸的抗菌肽。天蚕素首次从注射了细菌的H.cecropia中分离得来［50，51］。这些多肽在革兰氏阳性或革兰氏阴性菌脓毒性损伤反应中产生，以及通过抑制细胞膜蛋白合成来影响细胞增殖。防御素和抗菌肽是富含半胱氨酸的多肽。防御素在能引起细胞裂解的胞质膜中形成孔道，从而破坏大多数革兰氏阳性菌的多肽链。但是抗菌肽有抗真菌的活性。双翅肽仅在双翅目物种中发现的一种抗菌肽，由革兰氏阴性菌感染诱导，类似于攻击素的合成途径［49］。溶菌酶能降解细菌细胞壁的肽聚糖，它存在于动物，植物，真菌和噬菌体中。5酶联免疫5.1血淋巴凝固一旦受到伤害，昆虫进化出凝固血淋巴的机制，用以避免身体失去过多液体。蜚蠊的血细胞能分泌催化脂蛋白和卵黄蛋白原聚合的依赖钙离子的谷氨酰胺转移酶。据此脂多糖和β-1，3-葡聚糖触发丝氨酸蛋白酶链反应，最终导致血淋巴凝固。此外，丝氨酸蛋白酶激活黑化级联反应［10，14，52］。必须确定昆虫免疫里丝氨酸酶双偶极，当这两种级联，预凝固酶，黑色素衍生物和含氧化合物的中间代谢产物是有毒的入侵病原物。5.2血淋巴黑化作用黑化作用导致黑化结构，在抵御广泛的病原物，和参与损伤修复以及鳞翅目和双翅目昆虫的结瘤和包囊结构中起着关键作用。黑化作用依赖酪氨酸代谢。简而言之，通过激活的酚氧化