秀麗隱桿線蟲先天免疫機(jī)制研究進(jìn)展

于燕，余莉莉，趙苗，張克清，王順昌

（淮南師范學(xué)院 生命科學(xué)系，安徽 淮南 232001）

秀麗隱桿線蟲先天免疫機(jī)制研究進(jìn)展

于燕，余莉莉，趙苗，張克清，王順昌

（淮南師范學(xué)院 生命科學(xué)系，安徽 淮南 232001）

秀麗隱桿線蟲是當(dāng)前生物學(xué)研究中最重要的模式生物之一，為推動當(dāng)代生命科學(xué)的發(fā)展起了舉足輕重的作用。秀麗隱桿線蟲不存在高等生物的適應(yīng)性免疫，只能依靠先天免疫發(fā)揮作用。DBL途徑、DAF-2/DAF-16途徑、MAPK途徑及TLR途徑以及一系列免疫相關(guān)基因構(gòu)成了復(fù)雜的信號網(wǎng)絡(luò)，在線蟲的先天免疫中發(fā)揮著重要的作用。對于秀麗隱桿線蟲先天免疫系統(tǒng)的研究將為高等動物先天免疫機(jī)制的研究、藥物篩選以及環(huán)境污染物免疫毒理學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

秀麗隱桿線蟲；先天免疫；DBL途徑；DAF-2/DAF-16途徑；MAPK途徑；TLR途徑

為了探索個體發(fā)育及神經(jīng)傳導(dǎo)的分子機(jī)制，20世紀(jì)60年代，Brenner在經(jīng)過了一系列的嘗試后，最終選定秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）作為研究對象，此后的40多年間，在Brenner、Sulston、Horvitz及眾多研究者的共同努力下，秀麗隱桿線蟲成為生物學(xué)研究中最重要的模式生物之一，為推動當(dāng)代生命科學(xué)的發(fā)展起了舉足輕重的作用。秀麗線蟲成蟲長約1mm，身體半透明，以大腸桿菌為食，易于實驗室培養(yǎng)，從受精卵發(fā)育到成蟲，只需3d，且遺傳可操縱性強(qiáng)，這些優(yōu)勢為生物學(xué)家研究細(xì)胞凋亡、神經(jīng)發(fā)育、性別分化等基本生命現(xiàn)象的分子機(jī)制提供了可能[1]。1999年，Ausubel實驗室發(fā)表了一系列銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa，PA）——一種革蘭氏陰性菌，感染秀麗隱桿線蟲的相關(guān)研究進(jìn)展[2-5]，這些研究為探索秀麗隱桿線蟲先天免疫機(jī)制以及以線蟲為模型研究致病菌的致病性拉開了序幕。

秀麗隱桿線蟲不存在高等生物的適應(yīng)性免疫，只能依靠先天免疫發(fā)揮作用。當(dāng)有病原菌侵襲時，秀麗隱桿線蟲會激活相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，并產(chǎn)生效應(yīng)分子進(jìn)行免疫防御，完成對病原體的識別和清除。到目前為止，發(fā)現(xiàn)至少4條信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在線蟲的先天免疫中發(fā)揮了重要作用。

1 DBL途徑

銅綠假單胞菌（P.aeruginosa）和黏質(zhì)沙雷氏菌（Serratia marcescens）均是條件致病菌，能侵染人或線蟲等多種生物，研究者發(fā)現(xiàn)在抵抗這兩種革蘭氏陰性菌感染時，線蟲的DBL途徑扮演了重要角色，dbl-1突變株與野生型相比，對P.aeruginosa和S.marcescens均更加敏感。dbl-1基因是TGF-β1在秀麗隱桿線蟲中的同源基因，最初被發(fā)現(xiàn)其功能與蟲體體積、雄性器官的發(fā)育以及腸細(xì)胞和皮下細(xì)胞的多倍等有關(guān)[6-8]。DBL-1能夠與DAF-4/SMA-6形成的異二聚體受體結(jié)合，通過磷酸化激活SMAD蛋白SMA-2/SMA-3/SMA-4，使其從胞質(zhì)轉(zhuǎn)至核內(nèi)，調(diào)控相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)[7]，通路中sma-2、sma-3、sma-4及sma-6突變都使線蟲對感染更加敏感。通過DBL途徑調(diào)控不同基因的表達(dá)，線蟲可以對抗多種微生物的感染。

2 DAF-2/DAF-16途徑

DAF-2/DAF-16途徑在線蟲壽命方面的功能已經(jīng)研究得較為清楚，近年來的研究發(fā)現(xiàn)這條途徑還在抵抗革蘭氏陰性菌及陽性菌的感染中扮演了重要的角色[9]。daf-2編碼胰島素樣受體同源物，其下游基因age-1/aap-1編碼的磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）可通過激活絲氨酸/蘇氨酸激酶（例如PDK-1、AKT-1、AKT-2 等）， 使轉(zhuǎn)錄因子 DAF-16 磷酸化，阻止其從胞質(zhì)轉(zhuǎn)入核內(nèi)，從而抑制一系列基因的轉(zhuǎn)錄；當(dāng)有拮抗劑INS-1與daf2結(jié)合（或daf2功能缺失），則不能激活PI3K，DAF-16未被磷酸化，能夠進(jìn)入核內(nèi)，調(diào)控免疫、應(yīng)激等相關(guān)基因的表達(dá)。DAF-16是FOXO（forkhead box O，叉頭轉(zhuǎn)錄因子）家族的同源物，除了在先天免疫中發(fā)揮重要作用，還參與調(diào)節(jié)線蟲的壽命、應(yīng)激以及dauer形成等[10]。Murphy等的研究表明DAF-2/DAF-16途徑與DBL途徑及MAPK途徑存在重疊作用位點[11,12]，途徑間相互作用形成復(fù)雜的信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，共同決定了線蟲的壽命、應(yīng)激、發(fā)育和免疫防御等一系列復(fù)雜生理現(xiàn)象。

3 MAPK途徑

絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs）是廣泛存在于各種細(xì)胞內(nèi)的一類絲氨酸／蘇氨酸蛋白激酶。研究表明，MAPKs介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路能感受胞外的刺激，并將信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至胞內(nèi)，引起一系列生理生化反應(yīng)，在細(xì)胞的增殖、分化、轉(zhuǎn)化、凋亡、免疫等過程中具有至關(guān)重要的作用[13]。在哺乳中已發(fā)現(xiàn)存在3條并行的MAPKs信號通路，即細(xì)胞因子抑制的抗炎藥物結(jié)合蛋白激酶（cytokine-suppressive anti-inflammatory drugbinding protein kinase）P38 MAPK、細(xì)胞外調(diào)節(jié)激酶（extracellular regulation kinase）ERK MAPK、 氨基末端激酶 （c-jun N-terminal kinase）JNK MAPK 分別對應(yīng)于秀麗隱桿線蟲的PMK-1、MPK-1、KGB-1途徑[14]。PMK-1途徑在線蟲的先天免疫中發(fā)揮了重要的作用。Kim等通過遺傳篩選的方法甄別出Esp表型突變體線蟲。 sek-1 （MAPKK）、nsy-1（MAPKKK）及 pmk-l（MAPK）突變品系均表現(xiàn)出對銅綠假單胞菌PAl4的易感性增加，它們的半數(shù)致死時間約是野生型線蟲的1/2[15]。與野生型相比，pmk-l功能缺失突變型不但對PAl4敏感、對其他革蘭氏陰性菌 Salmonella enterica[16]、Yersinia pestis[17]、Serratia marcescens[18]、革蘭氏陽性菌 Enterococcus faecalis[18]、Staphylococcus aureus[19]以及真菌Candida albicans[20]均更加敏感。相比于PMK-1，MPK-1或KGB-1功能缺失沒有表現(xiàn)出對病原菌的敏感性變化顯著，MPK-1與KGB-1途徑側(cè)重在發(fā)育以及重金屬暴露應(yīng)激中發(fā)揮重要作用[21,22]。

4 TLR途徑

Toll樣受體（Toll-like receptors，TLRs）在脊椎動物以及無脊椎動物體內(nèi)廣泛存在，是先天免疫系統(tǒng)的重要組成部分。到目前為止，人類細(xì)胞中共發(fā)現(xiàn)11個TLRs家族成員[23]，而在線蟲中只發(fā)現(xiàn)一個編碼Toll樣受體的基因——Tol-1（Toll-likereceptor1）。研究發(fā)現(xiàn)，與哺乳動物TLRs不同，Tol-1途徑不參與PMK-1途徑介導(dǎo)的免疫反應(yīng)[18]。Tol-1蛋白雖然可能參與識別和躲避病原菌，但并不參與對病原菌的抗性作用[24]。除了Tol-1，秀麗隱桿線蟲中發(fā)現(xiàn)了另一個包含TIR結(jié)構(gòu)域的基因——哺乳動物SARM 蛋白（sterile α-and armadillo-motif containing protein）的同源基因 tir-1（Toll and interleukin-1 receptor）。研究發(fā)現(xiàn)，tir-1作用于nsy-1上游，其功能缺失導(dǎo)致PMK-1磷酸化程度降低，使得線蟲對P.aeruginosa和 E.faecalis的侵染敏感[25]；并且TIR-1在Drechmeria coniospora及S.marcescens侵染時能夠增強(qiáng)抗菌肽nlp-29和nlp-31的表達(dá)[26]，這些研究都表明tir-1在線蟲的先天免疫中扮演了重要的角色。

除了以上4條主要的先天免疫通路，轉(zhuǎn)錄因子ZIP-2、G 蛋白偶聯(lián)受體 FSHR-1、β-catenin BAR-1等也參與秀麗隱桿線蟲的先天免疫應(yīng)答[27]，這些免疫相關(guān)基因以及免疫信號通路構(gòu)成了復(fù)雜的信號網(wǎng)絡(luò)，在線蟲的先天免疫中發(fā)揮著重要的作用。對于秀麗隱桿線蟲先天免疫系統(tǒng)的研究將為高等動物先天免疫機(jī)制的研究、藥物篩選以及環(huán)境污染物免疫毒理學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

[1]Brenner S.The genetics of Caenorhabditis elegans[J].Genetics，1974，（77）：71-94

[2]Mahajan-Miklos S，Rahme LG，AusubelFM.Elucidating the molecular mechanisms of bacterial virulence using non-mammalian hosts[J].Mol Microbiol，2000，（37）：981-988

[3]Mahajan-Miklos S，Tan MW，Rahme LG，Ausubel FM.Molecular mechanisms of bacterial virulence elucidated usingaPseudomonasaeruginosa-Caenorhabditiseleganspathogenesismodel[J].Cell，1999，（96）：47-56

[4]Tan MW，Mahajan-Miklos S，Ausubel FM.Killing of Caenorhabditis elegans by Pseudomonas aeruginosa used to model mammalian bacterial pathogenesis[J].Proc Natl Acad Sci U S A，1999，（96）：715-720

[5]Tan MW，Rahme LG，Sternberg JA，Tompkins RG，Ausubel FM.Pseudomonas aeruginosa killing of Caenorhabditis elegans used to identify P.aeruginosa virulence factors [J].Proc Natl Acad Sci U S A，1999，（96）：2408-2413

[6]Mallo GV，Kurz CL，Couillault C，Pujol N，Granjeaud S，Kohara Y，et al. Inducible antibacterial defense system in C.elegans[J].Curr Biol，2002，（12）：1209-1214

[7]Maduzia LL，Gumienny TL，Zimmerman CM，Wang H，Shetgiri P，Krishna S，et al.lon-1 regulates Caenorhabditis elegans body size downstream of the dbl-1 TGF beta signaling pathway[J].Dev Biol，2002，（246）：418-428

[8]Morita K，F(xiàn)lemming AJ，Sugihara Y，Mochii M，SuzukiY，Yoshida S，etal.A Caenorhabditis elegans TGF-beta，DBL-1，controls the expression of LON-1，a PR-related protein，that regulates polyploidization and body length [J].EMBO J，2002，（21）：1063-1073

[9]Garsin DA，Villanueva JM，Begun J，Kim DH，Sifri CD，Calderwood SB，et al.Long-lived C.elegans daf-2 mutants are resistant to bacterial pathogens[J].Science，2003，（300）：1921

[10]Kwon ES，Narasimhan SD，Yen K，Tissenbaum HA.A new DAF-16 isoform regulates longevity[J].Nature，2010，（466）：498-502

[11]Murphy CT，McCarroll SA，Bargmann CI，F(xiàn)raser A，Kamath RS，Ahringer J，et al.Genes that act downstream of DAF-16 to influence the lifespan of Caenorhabditis elegans[J].Nature，2003，（424）：277-283

[12]Shivers RP，Youngman MJ，Kim DH.Transcriptional responses to pathogens in Caenorhabditis elegans[J].Curr Opin Microbiol，2008，（11）：251-256

[13]ChangL，KarinM.MammalianMAPkinase signalling cascades[J].Nature，2001，410：37-40

[14]Young JA，Dillin A.MAPping innate immunity[J].Proc Natl Acad Sci U S A，2004， （101）：12781-12782

[15]Kim DH，F(xiàn)einbaum R，Alloing G，Emerson FE，Garsin DA，Inoue H，et al.A conserved p38 MAP kinase pathway in Caenorhabditis elegans innate immunity[J].Science，2002，（297）：623-626

[16]Aballay A，Drenkard E，Hilbun LR，Ausubel FM.Caenorhabditis elegans innate immune response triggered by Salmonella enterica requires intact LPS and ismediatedbyaMAPK signaling pathway[J].Curr Biol，2003，（13）：47-52

[17]BolzDD，TenorJL，AballayA.A conserved PMK-1/p38 MAPK is required in caenorhabditis elegans tissue-specific immune response to Yersinia pestis infection [J].J Biol Chem，2010，（285）：10832-10840

[18]Shivers RP，Pagano DJ，Kooistra T，Richardson CE，Reddy KC，Whitney JK，et al.Phosphorylation of the conserved transcription factor ATF-7 by PMK-1 p38 MAPK regulates innate immunity in Caenorhabditis elegans[J].PLoS Genet，2010，（6）：e1000892

[19]Sifri CD，Begun J，Ausubel FM，Calderwood SB.Caenorhabditis elegansasa modelhostfor Staphylococcus aureus pathogenesis [J].Infect Immun，2003，（71）：2208-2217

[20]Pukkila-Worley R，Ausubel FM，Mylonakis E.Candida albicans infection ofCaenorhabditis elegans induces antifungal immune defenses[J].PLoS Pathog，2011，（7）：e1002074

[21]Lackner MR，Kornfeld K，Miller LM，Horvitz HR，Kim SK.A MAP kinase homolog，mpk-1，is involved in ras-mediated induction of vulval cell fates in Caenorhabditis elegans[J].Genes Dev，1994，（8）：160-173

[22]Mizuno T，Hisamoto N，Terada T，Kondo T，Adachi M，Nishida E，et al.The Caenorhabditis elegans MAPK phosphatase VHP-1 mediates a novelJNK-like signaling pathway in stress response[J].EMBO J，2004，（23）：2226-2234

[23]Jono H，Lim JH，Xu H，Li JD. PKCtheta Synergizes with TLR-Dependent TRAF6 Signaling Pathway to Upregulate MUC5AC Mucin via CARMA1[J].PLoS One，2012，（7）：e31049

[24]Pujol N，Link EM，Liu LX，Kurz CL，Alloing G，Tan MW，et al.A reverse genetic analysis of components ofthe Tollsignaling pathway in Caenorhabditis elegans[J].Curr Biol，2001，（11）：809-821

[25]Liberati NT，F(xiàn)itzgerald KA，Kim DH，F(xiàn)einbaum R，Golenbock DT，Ausubel FM.Requirement for a conserved Toll/interleukin-1 resistance domain protein in the Caenorhabditis elegans immune response[J].Proc Natl Acad Sci U S A，2004，（101）：6593-6598

[26]CouillaultC，PujolN，ReboulJ，Sabatier L，Guichou JF，Kohara Y，et al.TLR-independent controlofinnate immunity in Caenorhabditis elegans by the TIR domain adaptor protein TIR-1，an ortholog of human SARM[J].Nat Immunol，2004，（5）：488-494

[27]Pukkila-Worley R，Ausubel FM.Immune defense mechanisms in the Caenorhabditis elegans intestinal epithelium[J].Curr Opin Immunol，2011，（24）：1-7

Q81

A

1009-9530（2012）03-0027-03

2012-02-13

教育部重點項目（211081）；安徽省教育廳一般項目（KJ2011B156）；國家自然科學(xué)基金面上項目（21077040）

于燕（1981-），女，淮南師范學(xué)院生命科學(xué)系講師，博士，主要研究方向：免疫毒理學(xué)。