秀丽隐杆线虫先天免疫机制研究进展

于燕，余莉莉，赵苗，张克清，王顺昌

（淮南师范学院 生命科学系，安徽 淮南 232001）

秀丽隐杆线虫先天免疫机制研究进展

于燕，余莉莉，赵苗，张克清，王顺昌

（淮南师范学院 生命科学系，安徽 淮南 232001）

秀丽隐杆线虫是当前生物学研究中最重要的模式生物之一，为推动当代生命科学的发展起了举足轻重的作用。秀丽隐杆线虫不存在高等生物的适应性免疫，只能依靠先天免疫发挥作用。DBL途径、DAF-2/DAF-16途径、MAPK途径及TLR途径以及一系列免疫相关基因构成了复杂的信号网络，在线虫的先天免疫中发挥着重要的作用。对于秀丽隐杆线虫先天免疫系统的研究将为高等动物先天免疫机制的研究、药物筛选以及环境污染物免疫毒理学研究奠定基础。

秀丽隐杆线虫；先天免疫；DBL途径；DAF-2/DAF-16途径；MAPK途径；TLR途径

为了探索个体发育及神经传导的分子机制，20世纪60年代，Brenner在经过了一系列的尝试后，最终选定秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）作为研究对象，此后的40多年间，在Brenner、Sulston、Horvitz及众多研究者的共同努力下，秀丽隐杆线虫成为生物学研究中最重要的模式生物之一，为推动当代生命科学的发展起了举足轻重的作用。秀丽线虫成虫长约1mm，身体半透明，以大肠杆菌为食，易于实验室培养，从受精卵发育到成虫，只需3d，且遗传可操纵性强，这些优势为生物学家研究细胞凋亡、神经发育、性别分化等基本生命现象的分子机制提供了可能[1]。1999年，Ausubel实验室发表了一系列铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa，PA）——一种革兰氏阴性菌，感染秀丽隐杆线虫的相关研究进展[2-5]，这些研究为探索秀丽隐杆线虫先天免疫机制以及以线虫为模型研究致病菌的致病性拉开了序幕。

秀丽隐杆线虫不存在高等生物的适应性免疫，只能依靠先天免疫发挥作用。当有病原菌侵袭时，秀丽隐杆线虫会激活相应的信号转导途径，并产生效应分子进行免疫防御，完成对病原体的识别和清除。到目前为止，发现至少4条信号转导途径在线虫的先天免疫中发挥了重要作用。

1 DBL途径

铜绿假单胞菌（P.aeruginosa）和黏质沙雷氏菌（Serratia marcescens）均是条件致病菌，能侵染人或线虫等多种生物，研究者发现在抵抗这两种革兰氏阴性菌感染时，线虫的DBL途径扮演了重要角色，dbl-1突变株与野生型相比，对P.aeruginosa和S.marcescens均更加敏感。dbl-1基因是TGF-β1在秀丽隐杆线虫中的同源基因，最初被发现其功能与虫体体积、雄性器官的发育以及肠细胞和皮下细胞的多倍等有关[6-8]。DBL-1能够与DAF-4/SMA-6形成的异二聚体受体结合，通过磷酸化激活SMAD蛋白SMA-2/SMA-3/SMA-4，使其从胞质转至核内，调控相关基因的转录表达[7]，通路中sma-2、sma-3、sma-4及sma-6突变都使线虫对感染更加敏感。通过DBL途径调控不同基因的表达，线虫可以对抗多种微生物的感染。

2 DAF-2/DAF-16途径

DAF-2/DAF-16途径在线虫寿命方面的功能已经研究得较为清楚，近年来的研究发现这条途径还在抵抗革兰氏阴性菌及阳性菌的感染中扮演了重要的角色[9]。daf-2编码胰岛素样受体同源物，其下游基因age-1/aap-1编码的磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）可通过激活丝氨酸/苏氨酸激酶（例如PDK-1、AKT-1、AKT-2 等）， 使转录因子 DAF-16 磷酸化，阻止其从胞质转入核内，从而抑制一系列基因的转录；当有拮抗剂INS-1与daf2结合（或daf2功能缺失），则不能激活PI3K，DAF-16未被磷酸化，能够进入核内，调控免疫、应激等相关基因的表达。DAF-16是FOXO（forkhead box O，叉头转录因子）家族的同源物，除了在先天免疫中发挥重要作用，还参与调节线虫的寿命、应激以及dauer形成等[10]。Murphy等的研究表明DAF-2/DAF-16途径与DBL途径及MAPK途径存在重叠作用位点[11,12]，途径间相互作用形成复杂的信号传导网络，共同决定了线虫的寿命、应激、发育和免疫防御等一系列复杂生理现象。

3 MAPK途径

丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs）是广泛存在于各种细胞内的一类丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶。研究表明，MAPKs介导的信号转导通路能感受胞外的刺激，并将信号转导至胞内，引起一系列生理生化反应，在细胞的增殖、分化、转化、凋亡、免疫等过程中具有至关重要的作用[13]。在哺乳中已发现存在3条并行的MAPKs信号通路，即细胞因子抑制的抗炎药物结合蛋白激酶（cytokine-suppressive anti-inflammatory drugbinding protein kinase）P38 MAPK、细胞外调节激酶（extracellular regulation kinase）ERK MAPK、 氨基末端激酶 （c-jun N-terminal kinase）JNK MAPK 分别对应于秀丽隐杆线虫的PMK-1、MPK-1、KGB-1途径[14]。PMK-1途径在线虫的先天免疫中发挥了重要的作用。Kim等通过遗传筛选的方法甄别出Esp表型突变体线虫。 sek-1 （MAPKK）、nsy-1（MAPKKK）及 pmk-l（MAPK）突变品系均表现出对铜绿假单胞菌PAl4的易感性增加，它们的半数致死时间约是野生型线虫的1/2[15]。与野生型相比，pmk-l功能缺失突变型不但对PAl4敏感、对其他革兰氏阴性菌 Salmonella enterica[16]、Yersinia pestis[17]、Serratia marcescens[18]、革兰氏阳性菌 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功能缺失没有表现出对病原菌的敏感性变化显著，MPK-1与KGB-1途径侧重在发育以及重金属暴露应激中发挥重要作用[21,22]。

4 TLR途径

Toll样受体（Toll-like receptors，TLRs）在脊椎动物以及无脊椎动物体内广泛存在，是先天免疫系统的重要组成部分。到目前为止，人类细胞中共发现11个TLRs家族成员[23]，而在线虫中只发现一个编码Toll样受体的基因——Tol-1（Toll-likereceptor1）。研究发现，与哺乳动物TLRs不同，Tol-1途径不参与PMK-1途径介导的免疫反应[18]。Tol-1蛋白虽然可能参与识别和躲避病原菌，但并不参与对病原菌的抗性作用[24]。除了Tol-1，秀丽隐杆线虫中发现了另一个包含TIR结构域的基因——哺乳动物SARM 蛋白（sterile α-and armadillo-motif containing protein）的同源基因 tir-1（Toll and interleukin-1 receptor）。研究发现，tir-1作用于nsy-1上游，其功能缺失导致PMK-1磷酸化程度降低，使得线虫对P.aeruginosa和 E.faecalis的侵染敏感[25]；并且TIR-1在Drechmeria coniospora及S.marcescens侵染时能够增强抗菌肽nlp-29和nlp-31的表达[26]，这些研究都表明tir-1在线虫的先天免疫中扮演了重要的角色。

除了以上4条主要的先天免疫通路，转录因子ZIP-2、G 蛋白偶联受体 FSHR-1、β-catenin BAR-1等也参与秀丽隐杆线虫的先天免疫应答[27]，这些免疫相关基因以及免疫信号通路构成了复杂的信号网络，在线虫的先天免疫中发挥着重要的作用。对于秀丽隐杆线虫先天免疫系统的研究将为高等动物先天免疫机制的研究、药物筛选以及环境污染物免疫毒理学研究奠定基础。

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Q81

A

1009-9530（2012）03-0027-03

2012-02-13

教育部重点项目（211081）；安徽省教育厅一般项目（KJ2011B156）；国家自然科学基金面上项目（21077040）

于燕（1981-），女，淮南师范学院生命科学系讲师，博士，主要研究方向：免疫毒理学。