李潔瓊
(新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院生物科技分院,新疆 昌吉 831100)
昆蟲不具備適應(yīng)性免疫系統(tǒng),依賴多種先天防御反應(yīng)對(duì)抗入侵的病原體和寄生蟲,這些反應(yīng)包括使用物理屏障以及局部和全身的先天免疫反應(yīng)[1,2]。同時(shí)昆蟲體內(nèi)存在的強(qiáng)大抗菌免疫系統(tǒng)可以作為第二道防線發(fā)揮作用,主要基于抗菌肽,但也包括絲氨酸蛋白酶、應(yīng)激因子和參與調(diào)理和凝血的因子[3,4]。與其他生理過(guò)程一樣,昆蟲免疫反應(yīng)涉及傳感器(sensor)、效應(yīng)器(effector)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)器(signal transducer),將病原體識(shí)別與細(xì)胞免疫反應(yīng)、體液免疫反應(yīng)聯(lián)系起來(lái)[5-7]。因此,昆蟲細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于介導(dǎo)昆蟲的免疫反應(yīng)是非常重要的。受體介導(dǎo)的Toll、IMD、MAPK-JNK-p38、JAKSTAT 等免疫信號(hào)通路進(jìn)化保守,作為體液和細(xì)胞免疫反應(yīng)的調(diào)節(jié)劑和介質(zhì)發(fā)揮著重要的作用[8-10]。
對(duì)果蠅(Drosophila melanogaster)的研究表明,真菌、革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌往往是借助果蠅體內(nèi)的絲氨酸蛋白酶級(jí)聯(lián)作用,水解活化細(xì)胞因子Sp?tzle 最終觸發(fā)Toll 通路[11,12]。被激活的細(xì)胞因子Sp?tzle 能夠高度結(jié)合Toll 受體,借助Dorsal、Dif 等NF-κB 轉(zhuǎn)錄激活因子,作用和調(diào)控體內(nèi)的免疫效應(yīng)物基因的表達(dá)水平,促進(jìn)抗菌肽加速合成。在這一過(guò)程中還會(huì)逐步分化血細(xì)胞,從而產(chǎn)生具有包裹作用的層狀細(xì)胞,可以殺滅寄生蟲、病原體[13]。當(dāng)發(fā)現(xiàn)或感知到革蘭氏陰性細(xì)菌時(shí),DAP 型肽聚糖可以快速通過(guò)信號(hào)傳導(dǎo)介質(zhì)、跨膜受體PGRP-LC 開啟IMD 信號(hào)通路,活化的Relish(NF-κB 轉(zhuǎn)錄激活因子)也會(huì)轉(zhuǎn)入細(xì)胞核內(nèi),啟動(dòng)另一組免疫相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄[14,15]。而且,果蠅體內(nèi)有很多能夠激發(fā)MAPK-JNK-p38 通路的物質(zhì),如應(yīng)激信號(hào)、生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子等,并對(duì)細(xì)胞凋亡、分化和IMD 通路起到調(diào)節(jié)作用[16,17]。此外,JAK-STAT 通路、RNA 干擾以及自噬同樣也會(huì)介入抗病毒免疫反應(yīng)[18]。根據(jù)現(xiàn)有信息,這些途徑在模式昆蟲和非模式昆蟲中基本保守,但也存在明顯的差異。報(bào)道顯示,意蜂(Apis mellifera)的各類免疫基因并不是很多[19]。例如,果蠅中已發(fā)現(xiàn)9 個(gè)不同的Toll 基因,但是意蜂卻僅為5 個(gè)[19]。相較于果蠅,豌豆蚜(Acyrthosiphon pisum)尚未找到完整、統(tǒng)一的IMD 途徑[20]。在昆蟲綱中,部分基因組已發(fā)現(xiàn)免疫相關(guān)基因在不同物種中是有區(qū)別的。因此,有必要分析在不同的昆蟲中,是否存在完整的免疫信號(hào)傳導(dǎo)通路以及免疫信號(hào)通路組分的進(jìn)化是否保守。
昆蟲生存的微環(huán)境豐富多樣,對(duì)不同類別的昆蟲來(lái)說(shuō),其響應(yīng)低溫、病原微生物等脅迫的分子機(jī)制有顯著差異。鞘翅目擬步甲科昆蟲小胸鱉甲(Microdera punctipennis),廣泛地分布于新疆地區(qū)的古爾班通古特沙漠,是生存于北部荒漠的優(yōu)勢(shì)物種之一,也是新疆特有物種[21],在抵抗荒漠環(huán)境時(shí)具有自身的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)[22]。小胸鱉甲這種對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的差異需要從基因整體表達(dá)的角度開展全面研究。所以,本研究以小胸鱉甲為試驗(yàn)對(duì)象,樣本采集選擇在越冬地點(diǎn)進(jìn)行,并分別對(duì)越冬的成蟲、實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)的成蟲和實(shí)驗(yàn)室低溫脅迫的成蟲進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序[23-25],最終建立低溫響應(yīng)相關(guān)的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù),獲得小胸鱉甲基因整體表達(dá)的情況。
目前缺乏對(duì)小胸鱉甲分子免疫機(jī)制的研究。為觀察小胸鱉甲自身的免疫功能在低溫環(huán)境下發(fā)生哪些變化,人們先要了解它的免疫系統(tǒng),對(duì)比、判斷與其他模式昆蟲是否存在不同之處。目前昆蟲防御機(jī)制的基因組分析表明,病原體誘導(dǎo)免疫應(yīng)答的中心是識(shí)別真菌、細(xì)菌和病毒所引發(fā)的信號(hào)通路,這些信號(hào)通路可導(dǎo)致效應(yīng)分子的產(chǎn)生[8],因此,本研究利用小胸鱉甲的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)首次注釋和篩選了小胸鱉甲的免疫相關(guān)基因,包括編碼模式識(shí)別受體、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及調(diào)控因子、免疫效應(yīng)因子等。分別對(duì)小胸鱉甲潛在的模式識(shí)別受體蛋白完成有序的篩選;對(duì)Toll、IMD、MAPK-JNK-p38 以及JAK-STAT 免疫通路,以及自噬、凋亡還有RNA 干擾等免疫相關(guān)的細(xì)胞過(guò)程進(jìn)行全面的分析;并對(duì)溶菌酶、抗菌肽、幾丁質(zhì)酶、熱休克蛋白、酚氧化酶以及谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶等免疫效應(yīng)物做出注釋。結(jié)合篩選得到的免疫相關(guān)基因繪制小胸鱉甲免疫通路圖,建立小胸鱉甲的免疫系統(tǒng)架構(gòu)。此研究成果為進(jìn)一步明確昆蟲免疫調(diào)控與抗寒機(jī)制的內(nèi)在聯(lián)系奠定可靠的基礎(chǔ)。
小胸鱉甲成蟲采自古爾班通古特沙漠南部,阜康市222 團(tuán)(44°24′ N,87°51′ E,海拔444 m),于實(shí)驗(yàn)室(30 ℃)飼養(yǎng)。4 只越冬成蟲于2016年1月11日采集(組名為Mp_W),置于液氮內(nèi)保存。采樣點(diǎn)土壤溫度-8.8 ℃,濕度4.98%。在飼養(yǎng)得到的成蟲中選取個(gè)體相似的3 只作為對(duì)照組試蟲(組名為Mp_30)。此外,取3 只飼養(yǎng)的成蟲于-4 ℃低溫脅迫處理3 h(組名為Mp_4)。-4℃處理組、越冬組、對(duì)照組,全部通過(guò)Illumina HiSeq?4000 測(cè)序儀來(lái)完成轉(zhuǎn)錄組測(cè)序。
為補(bǔ)充低溫處理的數(shù)據(jù),再次將3 只飼養(yǎng)的成蟲作為對(duì)照組試蟲(組名為CK),另取3 只飼養(yǎng)的成蟲于4 ℃低溫脅迫處理3 h(組名為CD),通過(guò)測(cè)序儀完成轉(zhuǎn)錄組測(cè)序。
小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)已上載至生物技術(shù)信息中心(NCBI),利用BioProject 號(hào)PRJNA345299 即可完成下載。
基于Novogene 內(nèi)部的Perl 腳本,進(jìn)行測(cè)序raw reads 的預(yù)處理。將adapter、低質(zhì)量reads(摻雜多聚-N)予以去除,留下clean reads。通過(guò)Trinity(r20140413p1)軟件進(jìn)行clean reads 的拼接得到contig,然后進(jìn)行contig 聚類組裝,從中選取最長(zhǎng)的轉(zhuǎn)錄本作為unigene。除參數(shù)min_kmer_covfor 設(shè)為2 外,各參數(shù)均為0。
基于blastx 算法(E-value<10-5),將unigene 與Refseq Insect Protein、Refseq Insect RNA、NCBI Nr、NCBI Nt、Swiss-Prot、基因本位GO、京都基因與基因組百科全書KEGG 等多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的已知序列做比較,根據(jù)序列相似性,可以對(duì)照注釋轉(zhuǎn)錄組中unigene 的功能。若同個(gè)unigene 在不同的庫(kù)中注釋結(jié)果不一致,則參照最佳命中(best hit)結(jié)果來(lái)確定基因的生物學(xué)功能。使用軟件Blast2go 預(yù)測(cè)各序列功能及其GO 分類,使用KAAS(KEGG auto annotation server)預(yù)測(cè)KEGG 代謝通路。
基于基因比對(duì)注釋的信息,并參照果蠅[9,11-14,16,17]、家蠶[26]、赤擬谷盜(Tribolium castaneum)[27]、煙草天蛾[5,28]等昆蟲物種中已報(bào)道的相關(guān)知識(shí),采用人工識(shí)別的方法從小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組序列中識(shí)別篩選出與免疫信號(hào)途徑有關(guān)的基因序列,尤其MAPK、Toll、IMD、JAK-STAT、RNAi、凋亡和自噬等信號(hào)通路。利用Trinity 的CDS 軟件來(lái)完成蛋白編碼序列(Protein coding sequence,CDS)的預(yù)測(cè)。根據(jù)上述結(jié)果,篩選免疫相關(guān)基因,同時(shí)繪制小胸鱉甲的免疫通路圖。
為了充分獲取小胸鱉甲低溫轉(zhuǎn)錄組中潛在的昆蟲免疫相關(guān)基因序列,本研究收集以小胸鱉甲為材料測(cè)序的所有RNA-Seq 數(shù)據(jù)(表1),包括來(lái)自冬季樣本的4 組數(shù)據(jù)(Mp_W),30 ℃飼養(yǎng)成蟲對(duì)照組樣本的3 組數(shù)據(jù)(Mp_30),-4 ℃3 h 處理樣本的3 組數(shù)據(jù)(Mp_4),4 ℃3 h 處理樣本的1 組數(shù)據(jù)(3 只昆蟲數(shù)據(jù)合并)(CD)和25 ℃飼養(yǎng)成蟲的1 組數(shù)據(jù)(3 只昆蟲數(shù)據(jù)合并)(CK)。
表1 小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)
4 個(gè)越冬組樣本、3 個(gè)-4 ℃組樣本和3 個(gè)對(duì)照組均是利用De novo 組裝、Trinity 拼接,得到的平均長(zhǎng)度為635 bp,N50 為1 007 bp 的198 206 個(gè)小胸鱉甲u(yù)nigene(表2)。4 ℃處理組與對(duì)照組樣本總共得到79 725 244 個(gè)轉(zhuǎn)錄本,約為31 741 條unigene,其長(zhǎng)度平均為1 019 bp,N50 為1 958 bp。
將小胸鱉甲u(yù)nigene 與NCBI nr 庫(kù)內(nèi)的123 種昆蟲基因數(shù)據(jù)進(jìn)行序列同源性對(duì)比,共發(fā)現(xiàn)49 034 個(gè)unigene(占24.74%)與已知的其他昆蟲蛋白具有不同程度的同源性(表3)。在小胸鱉甲已注釋的序列中,有9 650 個(gè)(E-value = 0)unigene 是完全匹配的,占注釋序列總數(shù)的19.68%(圖1a)。分析對(duì)比同源性序列一致的物種,共9 522 個(gè)unigene(占19.42%)和模式昆蟲赤擬谷盜存在高度同源性(圖1b)。
圖1 小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組unigene 與NCBI的nr 庫(kù)昆蟲數(shù)據(jù)的比對(duì)結(jié)果
表3 小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)在公共數(shù)據(jù)庫(kù)中的基因注釋統(tǒng)計(jì)
從轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析和功能注釋的結(jié)果中,共篩選得到小胸鱉甲的107 個(gè)免疫相關(guān)基因及其同源unigene 1 750 個(gè),分為識(shí)別、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與調(diào)控、效應(yīng)分子3 大類(表4)。
小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組中篩選出16 種模式識(shí)別受體,其中,vitellogenin最多,有75 個(gè)unigene;篩選出昆蟲調(diào)制因子(Modulator)相關(guān)的352 個(gè)unigene,其中包括絲氨酸蛋白酶SP 基因的同源unigene 112 個(gè)(表4)。另外,有13 個(gè)絲氨酸蛋白酶抑制劑serpin 基因同源unigene。
昆蟲Toll 信號(hào)通路的組分是高度保守的,與果蠅相比,小胸鱉甲的Toll 通路是完整的,具有編碼胞外細(xì)胞因子sp?tzle、跨膜受體Toll、激酶pelle 和NFκB 轉(zhuǎn)錄因子dorsal等基因(表4,圖2)。
圖2 小胸鱉甲Toll免疫信號(hào)通路及其調(diào)控
圖3 顯示小胸鱉甲IMD 通路基因包含了TAK1、TAB2、Dredd、Ird5、Relish(Rel)、Effete等。與果蠅IMD 通路相比,小胸鱉甲缺失的IMD 通路基因包括IMD、kenny和FADD。IMD 通路也分支到JNK 通路和細(xì)胞凋亡通路,圖3a 顯示,JNK 通路是IMD 通路的一個(gè)分支,共享一些上游調(diào)控基因,包括TAK1、TAB2 和IRD5;圖3b 顯示,JNK 通路與p38MAPK 通路共同激活下游基因——核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子Jra/Fos,增強(qiáng)特定基因的轉(zhuǎn)錄。此外,還有2 種血小板衍生和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子PVF 及其受體PVR,可以和小GTP 酶Ras85D 共同作用激活JNK 通路(圖3b)。同時(shí)MLK1 和MKK4 也參與到JNK 途徑的激活。
圖3 小胸鱉甲IMD-JNK 與MAPK-JNK-p38 免疫信號(hào)通路及其調(diào)控
圖4 顯示小胸鱉甲具有JAK-STAT 通路的核心基因,包括編碼JAK 酪氨酸激酶(Hopscotch)和STAT 因子的基因,與果蠅相比,小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組中未找到與跨膜受體Dome(domeless)、配體Upd(unpaired)同源的基因(表4,圖4a)。介入調(diào)節(jié)免疫的RNAi 途徑有3 種,分別為piRNA、miRNA、siRNA。小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組中注釋到dicer(Dcr)、Belle、argonaut(Ago)以及Vig基因,如siRNA 核心基因Dcr-2、Ago-2,以及miRNA 和piRNA 的核心基因Ago-1和Ago-3(表4,圖4b)。在小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組中檢測(cè)到參與調(diào)控整個(gè)自噬過(guò)程的自噬相關(guān)基因(Autophagy-related gene,Atg)的同源unigene,分別為Atg1、Atg2、Atg5、Atg8、Atg9、Atg13、Atg16,還有5 個(gè)磷脂酰肌醇3-激酶PI3K、6 個(gè)蛋白激酶AKT、8 個(gè)蛋白激酶TOR基因的同源unigene(表4,圖4c)。同時(shí),檢測(cè)到細(xì)胞凋亡過(guò)程中重要的5 個(gè)基因,包括sickle、IAP1(Inhibitor of apoptosis)、Dronc(caspase-5)、Dredd(caspase-6)以及hid(編碼IAP 拮抗劑)(表4,圖4d)。
圖4 小胸整甲JAK-STAT(a)、RNAi(b)、自噬(c)與凋亡(d)免疫信號(hào)通路及其調(diào)控
對(duì)免疫效應(yīng)因子對(duì)應(yīng)的基因進(jìn)行初步注釋、篩選后,發(fā)現(xiàn)小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組中共有558 個(gè)免疫效應(yīng)因子基因的同源unigene(表4),包括抗菌肽、溶菌酶、幾丁質(zhì)酶、熱休克蛋白、酚原氧化酶(PPO)以及酚氧化酶(PO)等。此外,還具有涉及調(diào)控自由基的多種抗氧化酶,包括過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶、NADPH 氧化酶、一氧化氮合酶、硫氧還蛋白還原酶、硫醇抗氧化酶等(表4)。
表4 小胸鱉甲主要免疫基因
續(xù)表4
續(xù)表4
參照模式昆蟲果蠅、家蠶、赤擬谷盜和煙草夜蛾的研究結(jié)果,繪制小胸鱉甲的免疫通路(圖5),囊括了小胸鱉甲中編碼模式識(shí)別受體、免疫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及調(diào)控因子和免疫效應(yīng)因子的免疫相關(guān)基因,及Toll、IMD、MAPK-JNK-p38 和JAK-STAT 免疫通路、RNAi機(jī)制、細(xì)胞自噬和細(xì)胞凋亡過(guò)程中的免疫相關(guān)基因。
圖5 小胸鱉甲的免疫通路
昆蟲免疫系統(tǒng)由各種細(xì)胞免疫和體液免疫反應(yīng)組成,這些免疫成分具有多種組合形式來(lái)對(duì)抗病原體和其他有害物質(zhì)[8,15]。為明確感染的分子機(jī)制,有必要對(duì)免疫反應(yīng)的參與基因、蛋白質(zhì)進(jìn)行分析。遺憾的是,目前的研究結(jié)果仍未將昆蟲免疫相關(guān)基因做出細(xì)致的分類。本研究開展對(duì)昆蟲小胸鱉甲免疫系統(tǒng)的分析,為了構(gòu)建小胸鱉甲免疫庫(kù),并在其免疫系統(tǒng)的多種免疫反應(yīng)過(guò)程中呈現(xiàn)蛋白質(zhì)的分類,通過(guò)比對(duì)同源序列和GO 分類,結(jié)合手工篩選,共完成小胸鱉甲100 個(gè)免疫相關(guān)基因的注釋。本研究是參考其他學(xué)者研究的昆蟲免疫相關(guān)蛋白基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行蛋白質(zhì)的功能注釋[8,15],包括果蠅[9,11-14,16,17]、家蠶[26]、赤擬谷盜[27]以及煙草天蛾[5,28]等昆蟲。除了直接編碼昆蟲免疫蛋白的基因外,還有其他特定的基因可以參與免疫反應(yīng),盡管有許多差異表達(dá)的調(diào)節(jié)因子與應(yīng)激反應(yīng)重疊而不是由免疫攻擊引起的[29],但是理論上免疫攻擊后差異調(diào)節(jié)的基因都可能具有免疫功能。因此,本研究基于序列同源性和文獻(xiàn)報(bào)道構(gòu)建了小胸鱉甲免疫系統(tǒng)的信號(hào)傳導(dǎo)通路圖,其中,對(duì)病原體進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別是引發(fā)免疫反應(yīng)的基礎(chǔ):PRR 識(shí)別結(jié)合入侵病原體的PAMP,它們直接或者在絲氨酸蛋白酶介導(dǎo)的酚氧化酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)后,觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的激活,進(jìn)而激活抗微生物防御機(jī)制,如抗菌肽的表達(dá)、RNAi、自噬以及凋亡等;有些還會(huì)啟動(dòng)細(xì)胞免疫反應(yīng),將入侵者吞噬,發(fā)生包囊、集結(jié)并伴隨黑化反應(yīng)[15]。
昆蟲免疫系統(tǒng)可與環(huán)境和微生物共同進(jìn)化從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,在進(jìn)化過(guò)程中,一些免疫相關(guān)基因?yàn)榱藵M足生物的生理需求變化,適應(yīng)新的外界環(huán)境,會(huì)以適應(yīng)、復(fù)制及丟失等形式做出應(yīng)對(duì)反應(yīng)[15]。目前在果蠅[9,11-14,16,17]、家蠶[26]、豌豆蚜[20]以及煙草天蛾[5,28]等不同類別的昆蟲中,已檢測(cè)出很多免疫相關(guān)基因。岡比亞按蚊(Anopheles gambiae)基因組中有335 個(gè)免疫相關(guān)基因,與埃及伊蚊(Aedes aegypti)的353 個(gè)在基因數(shù)目上相似,但研究認(rèn)為,與其他基因相比,免疫相關(guān)基因具有更高的進(jìn)化速率[30]。從基因的個(gè)數(shù)、基因家族方面進(jìn)行比較,岡比亞按蚊與果蠅的基因組也十分相似,僅在抗菌肽基因家族中存在差異[31]。對(duì)比5 種昆蟲的基因組[32],家蠶具有218 個(gè)免疫相關(guān)基因,與果蠅、赤擬谷盜數(shù)目相似,與意蜂的139 個(gè)免疫相關(guān)基因數(shù)目則具有較大的差異。另外,意蜂的免疫相關(guān)基因數(shù)量與果蠅相比,僅占50%,表明意蜂的免疫機(jī)制可能與其他幾種昆蟲存在較大差異[19,32]。類似的,將小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組中編碼病原體識(shí)別、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與調(diào)控以及效應(yīng)蛋白的107 個(gè)免疫相關(guān)基因,與其他昆蟲進(jìn)行分析比對(duì),發(fā)現(xiàn)編碼模式識(shí)別受體和效應(yīng)蛋白的基因在不同物種中顯示出更高水平的類群特異性[19,20,26-28,30-32],而信號(hào)傳導(dǎo)通路基因的進(jìn)化相對(duì)保守,變異程度較低[33]。
小胸鱉甲并未開展全基因組測(cè)序研究,故轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)De novo 組裝獲得的246 648 個(gè)unigene 中,難免會(huì)有冗余現(xiàn)象。同時(shí),多數(shù)屬于未注釋完成、功能模糊的unigene,許多基因可能分布于基因組內(nèi),但因?yàn)檠b配或注釋錯(cuò)誤導(dǎo)致未精準(zhǔn)識(shí)別[34]。所以本研究初步建立的小胸鱉甲免疫防御通路網(wǎng)絡(luò)后續(xù)還需要進(jìn)行深入的驗(yàn)證、補(bǔ)充、豐富。
通過(guò)模式識(shí)別受體蛋白PRR,昆蟲能夠識(shí)別分布于病原體表面的模式分子PAMP[15,35],進(jìn)而激活體液、細(xì)胞免疫來(lái)應(yīng)答不同的病原體[35]。因此昆蟲識(shí)別和結(jié)合不同PAMP 的PRR,也具有不同的結(jié)構(gòu)和功能[15,35]。PRR 識(shí)別并結(jié)合病原體的PAMP 后,激活Toll 等信號(hào)通路,誘導(dǎo)合成抗菌蛋白發(fā)揮作用,或引發(fā)酚氧化酶級(jí)聯(lián)反應(yīng),從而使分解蛋白作用活化,并伴隨著黑化反應(yīng),最終發(fā)揮清除病原體的作用,這類的PRR 包括肽聚糖識(shí)別蛋白(PGRP)[36]、β-1,3-葡聚糖識(shí)別蛋白(βGRP)[37]、革蘭氏陰性菌結(jié)合蛋白(GNBP)[3,38]、C 型凝集素(CTL)[39]和載脂蛋白(ApoLp)[40]等。有些PRR 可啟動(dòng)細(xì)胞免疫反應(yīng),通過(guò)合成和分泌一系列炎癥細(xì)胞因子和趨化因子,促進(jìn)病原體與血細(xì)胞結(jié)合形成集結(jié)或包囊,并調(diào)節(jié)細(xì)胞吞噬入侵者,如CTL、ApoLp、半乳糖凝集素(galectin)[41]、含硫酯鍵蛋白(TEP)[42]、Nimrod 超級(jí)家族[43]和唐氏綜合癥細(xì)胞黏附分子(Dscam)[44]、清道夫受體(SR 和Croquemort)[45]、整聯(lián)蛋白(Integrin)[46]和卵黃蛋白原(vitellogenin)[47]等。在昆蟲的PRR 中,纖維蛋白原相關(guān)蛋白(FREP)還可參與細(xì)胞-細(xì)胞相互作用,介導(dǎo)活性氧的釋放[48];另外,Draper 作為巨噬細(xì)胞中重要的損傷受體,也可在昆蟲損傷修復(fù)、防御病原體和細(xì)胞自噬等免疫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用[49]。
3.2.1 調(diào)制因子 小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組中SP、persephone和SPH(trypsin、chymotrypsin 和elastase)基因編碼的蛋白可作為調(diào)制因子,參與昆蟲病原體識(shí)別、信號(hào)中繼/調(diào)節(jié)和執(zhí)行機(jī)制,在先天免疫系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用[50]。昆蟲PRR 識(shí)別病原體PAMP 后激活血漿中SP 和SPH,介入2 條免疫通路,第一條,激活胞內(nèi)酚氧化酶原proPO,從而得到能夠氧化酚類分子的PO,由于PO 的作用,傷口、病原體周圍會(huì)產(chǎn)生黑色素引發(fā)黑化反應(yīng);第二條,血淋巴中具有Clip 結(jié)構(gòu)域的SP 和SPE(Sp?tzle-processing enzyme),在活化Sp?tzle 蛋白后,再與膜受體Toll 蛋白結(jié)合,激活Toll通路并促進(jìn)attacin、cecropin、gloverin 等抗菌蛋白的合成[50]。另外在小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組中注釋到13 個(gè)serpin基因的同源unigene。serpin 超家族大部分都具有抑制絲氨酸蛋白酶(SP)的作用,可與絲氨酸蛋白酶結(jié)合形成共價(jià)復(fù)合物,確保了瞬時(shí)、集中的防御反應(yīng)[51]。
3.2.2 免疫信號(hào)通路及其調(diào)控
1)Toll 通路及其調(diào)控。小胸鱉甲Toll 信號(hào)通路是保守的。PGRP、GNBP 將病原體識(shí)別出來(lái)的過(guò)程中會(huì)同步向Persephone 等絲氨酸蛋白酶?jìng)魉托盘?hào),通過(guò)蛋白酶水解級(jí)聯(lián)使胞外因子Sp?tzle 活化,并使其結(jié)合Toll 跨膜受體,從而促進(jìn)Toll 受體胞內(nèi)域招募聚集3 種胞漿蛋白(Myd88、Tube 和Pelle),Pelle激酶促使抑制因子Cactus 發(fā)生磷酸化和蛋白水解然后釋放NF-κB 轉(zhuǎn)錄因子Dorsal,Dorsal 從細(xì)胞質(zhì)中轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核中,并結(jié)合抗菌肽基因的啟動(dòng)子元件,在Cactin、Pellino 和Traf 等調(diào)控作用下誘導(dǎo)抗菌肽 drosomycin、defensin、cecropin、attacin 的 表達(dá)[5,8,10,12,15]。多數(shù)病毒、革蘭氏陽(yáng)性菌、真菌以及瘧原蟲均能夠激活Toll 信號(hào)通路[3,10],而微生物不再入侵昆蟲時(shí),Serpin 抑制劑則能夠發(fā)揮抑制作用,阻止Toll通路的持續(xù)激活[10,12,15]。
昆蟲Toll 蛋白具有介導(dǎo)先天性免疫、表達(dá)抗菌肽、調(diào)控生長(zhǎng)發(fā)育及形態(tài)發(fā)生等多種功能[12,52]。果蠅中已完成9 個(gè)Toll基因(Toll1 至Toll9)的鑒定,本研究中小胸鱉甲檢測(cè)到67 個(gè)Toll基因的同源unigene,但未檢測(cè)到全部種類的Toll基因,且尚不清楚每個(gè)Toll 蛋白在小胸鱉甲中的作用。小胸鱉甲中具有編碼Dorsal 的基因同源unigene,但未發(fā)現(xiàn)Dif 的同源unigene,可能是Dif 屬于高度衍生的分支,僅在短尾蒼蠅(Brachyceran flies)中發(fā)現(xiàn)[19]。因此,Dorsal 是小胸鱉甲發(fā)生Toll 介導(dǎo)的免疫反應(yīng)時(shí),誘導(dǎo)抗菌肽所需的獨(dú)特轉(zhuǎn)錄因子。
2)IMD -JNK 通路及其調(diào)控。IMD 信號(hào)通路可有效抵御革蘭氏陰性菌的侵染[3,5,8,10,15],但小胸鱉甲缺少IMD、kenny以及FADD這3 個(gè)IMD 信號(hào)通路中的關(guān)鍵基因。從圖3 可知,小胸鱉甲免疫系統(tǒng)中,G-菌體表附著的肽聚糖可以結(jié)合細(xì)胞跨膜受體PGRP,從而使PGRP 胞內(nèi)域招募Dredd,完成胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),在TAK1/TAB2 復(fù)合物的作用下IκB 激酶IRD5(IκBγ)磷酸化,促使NF-κB 轉(zhuǎn)錄因子Relish 蛋白斷裂,其中Relish-N 經(jīng)核轉(zhuǎn)運(yùn)因子NTF2(nuclear transport factor 2)的輔助,轉(zhuǎn)位入細(xì)胞核,與Akirin共同調(diào)控cecropin,attacin,diptericin和drosocin等抗菌肽基因的表達(dá)[5,8,10,14,15]。IMD 信號(hào)通路也分支到JNK 通路和細(xì)胞凋亡:蛋白酶Dredd 不僅可以介入裂解Relish,還可以招募、裂解pro-caspase,形成的caspase 同時(shí)能夠加快細(xì)胞凋亡進(jìn)程;在hemipterous(MAPKK7)作用下,TAK1/TAB2 復(fù)合物還能夠完成JNK 磷酸化,從而激活JNK 通路[5,8,10,14,15]。
相較小胸鱉甲缺失組分的IMD 通路,在果蠅、家蠶、伊蚊以及赤擬谷盜等昆蟲中均已找到IMD 通路基因的直向同源物[5,8,10,14,15,32]。然而蜱螨(Tetranychus、Metaseiulus以及Ixodes)、木蟻(Camponotus floridanus)、豌豆蚜還有麗蠅蛹集金小蜂(Nasonia vitripennis)則類似于小胸鱉甲,缺失IMD 信號(hào)通路上的關(guān)鍵基因[15]。有研究表明,IMD 通路中的基因被敲除后會(huì)使果蠅對(duì)某些G+菌和真菌更加敏感從而導(dǎo)致死亡[53],揭示IMD 通路介導(dǎo)的組織損傷反應(yīng)是防御微生物的重要過(guò)程。而小胸鱉甲IMD 通路核心組分的缺失現(xiàn)象,是否反映了小胸鱉甲抵御病原體的免疫潛力較低,或者是否存在未知因子參與構(gòu)建IMD 通路,還有待深入研究。
在小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組中注釋到9 個(gè)Sickie、115 個(gè)CYLD 以及25 個(gè)Cullin 同源unigene,它們表達(dá)的蛋白是IMD 通路的負(fù)調(diào)控因子。Sickie 對(duì)Dredd 誘導(dǎo)的Relish 活化具有相反的作用;去泛素化酶CYLD調(diào)節(jié)IKK 復(fù)合物以控制Relish 磷酸化,可抑制IMD信號(hào)傳導(dǎo);Cullin 蛋白參與調(diào)控Relish-N 的磷酸化[5,8,14,15]。IMD 通路釋放過(guò)量的抗菌肽,對(duì)宿主本身并無(wú)益處。所以,精準(zhǔn)的負(fù)調(diào)控機(jī)制才能保證IMD 途徑可以在合理范圍內(nèi)反應(yīng)。
3)MAPK-JNK-p38 通路及其調(diào)控。從實(shí)質(zhì)上來(lái)看,JNK 信號(hào)是有絲分裂激活的蛋白激酶MAPK通路,參與調(diào)節(jié)昆蟲的發(fā)育和代謝、免疫反應(yīng)等[15-17]。小胸鱉甲具有JNK 通路的核心免疫相關(guān)基因Hep、JNK(basket)、Jra 和Fos[15],該通路以保守的狀態(tài)進(jìn)化。
JNK 信號(hào)通路由一系列胞外因子和胞內(nèi)的應(yīng)激物誘導(dǎo)激活,可通過(guò)多條分支接收傳導(dǎo)信號(hào):①JNK可 由IMD通路的TAK1 激酶(即MAPKKK7)激活[5,14,15];②可由混合連接激酶MLK1(MAPKKK 激酶)激活[5,15];③由MKK4(MAPKK 激酶)激活[5,15];④由血小板衍生和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(PVF)及其受體PVR(Ser/Thr 激酶)介導(dǎo)激活[5];⑤由腫瘤壞死因子同源物Eiger(egr/TNF)、受體Wengen(wgn/TNFR)、TRAF(TNF receptor associated factor)和Misshapen 途徑依次激活TAK1、hemipterous(MKK7)和JNK[5,17];⑥通過(guò)Toll 受體與TRAF 激活p38 激酶,級(jí)聯(lián)誘導(dǎo)Jra-Fos 復(fù)合物的形成(JNK 通路下游基因[5,17])。
JNK 收到多條上游分支傳導(dǎo)的激活信號(hào)后,會(huì)誘導(dǎo)Jra-Fos 復(fù)合物即轉(zhuǎn)錄激活因子AP-1(Activator protein 1)的形成。該轉(zhuǎn)錄因子能夠結(jié)合多種基因啟動(dòng)子區(qū)的AP-1 位點(diǎn),促進(jìn)特定基因的轉(zhuǎn)錄,從而表達(dá)靶蛋白參與到應(yīng)激、傷口愈合、凋亡、炎癥反應(yīng)以及細(xì)胞免疫反應(yīng)中[8,10,54]。
4)JAK-STAT 通路及其調(diào)控。小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組注釋到編碼JAK-STAT 通路核心組分JAK 和STAT的基因同源unigene,然而,跨膜受體Domeless 以及激活果蠅JAK-STAT 通路的關(guān)鍵配體細(xì)胞因子Unpaired(Upd1、Upd2 和Upd3)還沒(méi)有檢測(cè)到[8,13]。JAK 激酶(Hopscotch)接收信號(hào)后,使轉(zhuǎn)錄因子STAT磷酸化,磷酸化的STAT 以二聚體的形式進(jìn)入細(xì)胞核,誘導(dǎo)表達(dá)含硫酯蛋白(TEP)為代表的抗病毒蛋白等效應(yīng)物[42]。小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組具有調(diào)控基因SOCS和PIAS的多條unigene,其編碼的SOCS(JAK抑制劑)和PIAS(活化STAT 的蛋白抑制劑)蛋白,可以調(diào)控JAK-STAT 信號(hào)通路,進(jìn)而參與調(diào)節(jié)小胸鱉甲的免疫應(yīng)答及多種發(fā)育過(guò)程,包括抗病毒免疫反應(yīng)[3,10,13,18]。
昆蟲JAK-STAT 信號(hào)通路高度保守,但小胸鱉甲未注釋到Domeless 和Upd,考慮可能是遺漏或者存在其他未知的跨膜受體和配體,如煙草天蛾除了domeless 之外,還存在未知跨膜受體可以與Vago 的直系同源物結(jié)合,以類似于domeless 配體的方式激活JAK 和STAT[5]。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),赤擬谷盜、意蜂和煙草天蛾等昆蟲也缺失Upd 配體[5,19,27]。
5)RNAi 途徑。參與調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答的RNAi 包括piRNA、miRNA 和siRNA,RNAi 利用siRNA 的反義鏈切割靶mRNA 引發(fā)轉(zhuǎn)錄后基因沉默,在昆蟲防御病毒感染機(jī)制中發(fā)揮重要作用[10,18,55]。小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組中具有編碼siRNA 通路核心組分Dicer-2 和Argonaute-2 的基因同源unigene,以及編碼miRNA和piRNA 的核心組分Argonaute-1 和Argonaute-3 的基因同源unigene,這些小RNA 可參與構(gòu)成RNA 誘導(dǎo)沉默復(fù)合體,在小胸鱉甲抗病毒反應(yīng)中發(fā)揮作用[56]。
6)自噬和凋亡過(guò)程。細(xì)胞自噬和細(xì)胞凋亡過(guò)程在昆蟲機(jī)體適應(yīng)環(huán)境變化的細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)、維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和新陳代謝、組織損傷反應(yīng)和抗病毒感染機(jī)制等許多方面具有重要意義[57,58]。小胸鱉甲中自噬相關(guān)蛋白Atg,可以調(diào)控自噬過(guò)程。昆蟲在自噬發(fā)生過(guò)程中受到磷脂酰肌醇3 激酶(PI3K)/絲/蘇氨酸激酶(Akt)通路調(diào)控,該途徑中PI3K 能夠磷酸化底物并激活下游的Akt,Akt 進(jìn)一步磷酸化雷帕霉素靶蛋白(TOR),TOR 通過(guò)磷酸化使形成的自噬調(diào)節(jié)復(fù)合物Atg13-ULK1 失活,影響自噬小體的生物發(fā)生,進(jìn)而抑制自噬[57]。在小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組中注釋到DNA 損傷自噬調(diào)整蛋白(DRAM),其參與自噬體與各種囊泡的融合過(guò)程,能夠促進(jìn)自噬體的積累并且調(diào)控自噬溶酶體的形成[57]。一些病原體可以靶向自噬體,然后被溶酶體降解[57]。在果蠅中,自噬被一些病毒、細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌(例如單核細(xì)胞增生李斯特氏菌)和其他病原體感染誘導(dǎo)[18,59],表明自噬也可能是一種經(jīng)典的細(xì)胞免疫反應(yīng)。
入侵昆蟲細(xì)胞的病毒,可通過(guò)觸發(fā)細(xì)胞外或細(xì)胞內(nèi)的信號(hào),激活一系列半胱氨酸蛋白酶caspase 引發(fā)一種主動(dòng)的細(xì)胞凋亡,用以抑制入侵的病毒的擴(kuò)散和復(fù)制[58]。小胸鱉甲具有凋亡途徑的組分caspase Dronc、IAP、Sickle(與Reaper 顯著相似)和Hid,可分別從內(nèi)部和外部觸發(fā)細(xì)胞凋亡,在應(yīng)激反應(yīng)和免疫防御機(jī)制中發(fā)揮作用[58]。在昆蟲細(xì)胞內(nèi)部,細(xì)胞凋亡的級(jí)聯(lián)反應(yīng)受到啟動(dòng)因子caspase Dronc 和caspase 的負(fù)調(diào)節(jié)因子(IAP)的共同調(diào)控,同時(shí),促凋亡蛋白Sickle,即IAP 拮抗劑,也能通過(guò)使IAP 失活參與調(diào)控凋亡過(guò)程[60]。而在細(xì)胞外部引發(fā)的凋亡信號(hào)是通過(guò)JNK 通路來(lái)傳導(dǎo)的。IMD 通路、toll 通路以及細(xì)胞膜錨定外部蛋白Eiger 都可以通過(guò)激活JNK 信號(hào)通路,誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。Eiger 誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡也受到IAP 抑制[58]。雖然凋亡通常涉及病毒致病,但某些病毒已學(xué)會(huì)利用該機(jī)制,在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中獲得了各種抗凋亡的基因,以不同的方式促進(jìn)自身的生存和復(fù)制[61]。
1)抗菌肽。昆蟲的免疫防御體系主要由多種抗菌肽發(fā)揮作用,已知的昆蟲抗菌肽就有170 余種。在小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中搜索昆蟲抗菌肽的基因,檢測(cè)到7 個(gè)drosomycin、4 個(gè)defensin、5 個(gè)attacin、3 個(gè)tenecin、2 個(gè)holotricin、1 個(gè)cecropin以及1 個(gè)anionic antimicrobial peptide基因同源unigene。由于物種特異性抗菌肽的存在,且這些分子的序列具備多樣性特點(diǎn),基于同源性的搜索可能遺漏了一些抗菌肽基因。防御素(Defensin)可抵御革蘭氏陽(yáng)性菌,攻擊素(Attacin)與天蠶素(Cecropin)可抑制革蘭氏陰性菌,而抗真菌肽(Drosomycin)具有較高的抗真菌活性[4,8,10,62],這些抗菌肽是組成小胸鱉甲免疫防御體系的重要成員。
2)溶菌酶與幾丁質(zhì)酶。小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組注釋到c 型、i 型以及p 型lysozyme基因的同源unigene。Lysozyme 蛋白能夠降解細(xì)菌細(xì)胞壁肽聚糖和胞壁酸[63],是抵抗細(xì)菌感染的關(guān)鍵因素。在小胸鱉甲的幾丁質(zhì)酶中,編碼酸性哺乳動(dòng)物幾丁質(zhì)酶(Acidic mammalian chitinase)基因的同源unigene 比較多,這類Chitinase 蛋白具有降解幾丁質(zhì)活性,可參與對(duì)抗線蟲、真菌和其他病原體的防御,在免疫反應(yīng)和炎癥反應(yīng)中發(fā)揮作用[64]。
3)熱休克蛋白與肌動(dòng)蛋白。小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組中具有多種不同分子量的Hsp和actin基因的同源unigene(表4)。已知HSP 是應(yīng)激蛋白,因此病原體的侵染也能誘導(dǎo)HSP 的合成,在許多昆蟲中,已顯示HSP 在感染性損傷和微生物入侵后被上調(diào)表達(dá)[65]。在免疫反應(yīng)中,HSP 也可作為重要的信號(hào)蛋白[65]。家蠶組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)抗性添毒個(gè)體中actin 和HSP 呈現(xiàn)高表達(dá),由于actin 的過(guò)表達(dá)能夠干擾病毒多角體合成和組裝[66],因此推測(cè)actin 和HSP 都參與家蠶抗病毒過(guò)程。小胸鱉甲表達(dá)的actin 和HSP 蛋白是否有助于抵御病毒也值得進(jìn)一步研究。
4)其他免疫反應(yīng)效應(yīng)蛋白。小胸鱉甲注釋到酚氧化酶(PO)、酚氧化酶原(proPO)、芳基貯存蛋白(Arylphorin)和六聚體儲(chǔ)存蛋白(Hexamerin)的基因同源unigene,這些基因編碼的蛋白都可參與細(xì)胞吞噬、集結(jié)、包囊和黑化作用,在昆蟲的先天免疫系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用[67,68]。已有研究發(fā)現(xiàn)PO 和多巴脫羧酶(Dopa decarboxylase,Ddc)參與果蠅血細(xì)胞的集結(jié)[6,68]。PO 與hexamerin、arylphorin 都屬于節(jié)肢動(dòng)物血藍(lán)蛋白hemocyanin 超家族,在昆蟲免疫防御中,有些血藍(lán)蛋白表現(xiàn)出酚氧化酶催化活性,甚至可以轉(zhuǎn)化為酚氧化酶,hemocyanin 和hexamerin 均已證實(shí)與節(jié)肢動(dòng)物的免疫功能相關(guān)[69]。集結(jié)、包囊以及黑化作用可將小胸鱉甲免疫反應(yīng)定位到損傷部位以迅速清除病原物和受損細(xì)胞[2,6,68]。
細(xì)胞免疫反應(yīng)過(guò)程中,局部產(chǎn)生自由基也是非常重要的免疫反應(yīng),對(duì)防御病原微生物十分有效[2,6,8]。自由基以及自由氧簇(包括O2-、ROS、OH-、H2O2和RNS)均可協(xié)助血細(xì)胞吞噬病原體,并在包囊作用中殺死病原體[2,6,8]。由于ROS 和RNS的細(xì)胞毒性,它們的轉(zhuǎn)化率和濃度受機(jī)體抗氧化酶系統(tǒng)的嚴(yán)格調(diào)節(jié),從而防止昆蟲受到過(guò)剩自由基攻擊造成損傷[2,6,8]。小胸鱉甲注釋到的抗氧化酶包括:過(guò)氧化物酶(peroxidase,POD)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、過(guò)氧化氫酶(catalase,CAT)、硫醇抗氧化酶(thiol peroxiredoxin,TP)、谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶(glutathione S-transferase,GST)、硫氧還蛋白(thioredoxin)、硫氧還蛋白還原酶(thioredoxin reductase)、一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS)以 及NADPH 氧 化 酶(NADPH oxidase)。在小胸鱉甲氧化應(yīng)激反應(yīng)和免疫防御反應(yīng)中,上述成分可發(fā)揮重要的作用[2,6,8]。有報(bào)道稱,基因突變或基因敲除引起的自由基水平的變化,對(duì)按蚊的繁殖力及其抗瘧疾反應(yīng)均有較大影響[70]。
綜上所述,小胸鱉甲轉(zhuǎn)錄組中有1 750 個(gè)免疫相關(guān)基因的同源unigene,共107 個(gè)編碼免疫相關(guān)蛋白的基因,表達(dá)的蛋白可以參與到toll、IMD、MAPKJNK-p38、JAK-STAT 免疫信號(hào)通路中,以及RNAi、自噬、凋亡以及吞噬、包囊和黑化反應(yīng)。本研究構(gòu)建的小胸鱉甲免疫信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中,一些免疫通路(IMD 通路和JAK-STAT 通路)和一些組分(如IMD、FADD 和domeless 等)與模式生物之間存在差異。下一步還需要使用生物化學(xué)、分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)方法驗(yàn)證本研究基于轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)構(gòu)建的免疫信號(hào)通路。本研究對(duì)荒漠昆蟲小胸鱉甲免疫相關(guān)基因的注釋和分析,既充實(shí)了昆蟲免疫相關(guān)基因的研究?jī)?nèi)容,也加深了對(duì)昆蟲天然免疫機(jī)制的認(rèn)識(shí)。