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。