122 中国生物工程杂志 ChinaBiotechnology Vol.31No 的定位 [7] 另外, 当秀丽隐杆线虫在幼虫期受到病原体感染或在热应激饥饿种群密度较大时, 可引起 DAF 16 下游基因的表达, 使其进入耐受期 [8] DAF 16 的靶位点大多是与寿命及抗性有关的

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锤古
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1 中国生物工程杂志 ChinaBiotechnology,2011,31(7):121?125 秀丽隐杆线虫先天免疫信号转导途径王 1,2 涛杜 1 丽马 1 琼 1 崔玉芳 (1 军事医学科学院放射与辐射医学研究所北京东南大学毫米波国家重点实验室南京 ) 摘要秀丽隐杆线虫因其结构简单易于培养生命周期短等特点作为一种模式生物已广泛应用于神经系统衰老机制及细胞程序性死亡的研究与高等生物不同, 秀丽隐杆线虫缺少适应性免疫途径, 只有先天免疫途径在抗病原菌抗氧化应激等方面发挥重要的作用其体内的胰岛素 / 胰岛素样生长因子 (insulin/igf 1) 转化生长因子 β(transforminggrowthfactorβ,tgf β) 丝裂原激活的蛋白激酶 (mitogenactivatedproteinkinases,mapk) 和细胞程序性死亡 (programmedcel death,pcd)4 条免疫相关信号转导途径在不同的环境发挥着主要作用同时, 秀丽隐杆线虫的先天免疫系统在进化中有许多保守之处, 这为高等生物的免疫机制研究提供了新思路据此, 就有关秀丽隐杆线虫先天免疫信号转导途径的研究进展进行了简述, 期望能为人类等高等生物相关联的免疫作用研究提供借鉴和参考关键词秀丽隐杆线虫先天免疫应激信号转导途径中图分类号 Q74 秀丽隐杆线虫以大肠杆菌为食, 体积短小, 成虫约 1mm, 从一个受精卵发育到成虫只需 3 天, 生命周期约为 3 周, 大部分为雌雄同体, 自然状态下仅有千分之一为雄性 [1] 由于其生活在土壤中, 暴露于多种病原体之下, 可被多种人类致病菌所感染 [2] ( 如肺炎链球菌铜绿假单胞菌黏质沙雷氏菌金黄色葡萄球菌粪肠球菌新生隐球菌等 ), 并受各种不利因素刺激 ( 如低氧高渗透压重金属和外毒素等 ), 因此秀丽隐杆线虫形成了一套复杂的免疫防御体系来抵抗不良环境的刺激而在秀丽隐杆线虫中不存在像高等生物一样的适应性免疫系统及专门的免疫细胞, 只有依靠先天性免疫发挥作用, 包括对病原体的识别和清除 [3] 1 先天免疫系统的信号转导途径当秀丽隐杆线虫受到不同的环境刺激时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在秀丽隐杆线虫中主要有胰岛素 / 胰岛素样生长因子收稿日期 : 国家自然科学基金 ( ) 军队医药卫生 " 十一五 " 基金 (09MA026) 毫米波国家重点实验室开放课题 (K200909) 资助项目通讯作者, 电子信箱 :yufangc@vip.sina.com (insulin/igf 1), 即 DAF 2(dauerformationdefective) 转化生长因子 β(transforminggrowthfactorβ,tgf β) 丝裂原激活的蛋白激酶 (mitogen activated protein kinases,mapk) 和细胞程序性死亡 (programmedcel death,pcd)4 条信号转导通路, 不仅在抵抗致病菌和环境应激方面发挥作用, 也对神经及发育系统等有很大影响 1 1 DAF 2 途径 DAF 2 途径除在寿命方面发挥功能外, 在免疫抗氧化低氧上也有重要作用 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) 又可激活 4 种丝 / 苏氨酸蛋白激酶 (PDK 1 AKT 1 AKT 2 SGK 1) 分别或共同与 DAF 16 相互作用, 影响其在细胞核内的定位来负调节转录因子 DAF 16 DAF 16 是 FOXO(forkheadboxO, 叉头转录因子 ) 家族的同源物, 包括 daf 16a daf 16b daf 16d/f3 个亚型共同在线虫的寿命免疫及应激等方面发挥正调控作用 [4],daf 2 akt 1 akt 2 的突变能使 DAF 16 进入细胞核, 从而阻止病原菌在线虫体内的转移增加抗菌基因的表达 [5 6] 新近研究发现, 有另一条 EAK(enhance ofakt 1) 途径可与 AKT 共同抑制 DAF 16 在细胞核内

2 122 中国生物工程杂志 ChinaBiotechnology Vol.31No 的定位 [7] 另外, 当秀丽隐杆线虫在幼虫期受到病原体感染或在热应激饥饿种群密度较大时, 可引起 DAF 16 下游基因的表达, 使其进入耐受期 [8] DAF 16 的靶位点大多是与寿命及抗性有关的基因, 主要分为两类, 一类是参与应激反应的基因, 编码热休克蛋白 (heatshockprotein,hsp) 过氧化氢酶 (catalase,ctl) 超氧化物歧化酶 (superoxidedismutase,sod) 等 ; 另一类基因编码抗菌剂, 包括溶菌酶 (lysozyme) 基因 lys 7 lys 8, 脂结合蛋白 (saposin likeprotein,sp 1) 基因, 富含亮氨酸和酪氨酸的神经肽样蛋白 (neuropeptide like protein,nlp 31) 基因等, 其中 lys 8 还受 TGF β 信号途径的调控, 表明这两条通路存在重叠部分 [9] daf 16 的活性调控比较复杂, 可能是 P38MAPK 的直接底物, 因为在 daf 16 中存在 P38MAPK 的磷酸化位点,P38 MAPK 的过表达能增强 daf 2 突变引起对病原菌的抗性作用, 并且 MAPK 途径中的 sek 1 突变抑制了 DAF 16 向核内转移, 表明两条途径有相互作用位点 [10] 通过胰岛素信号途径相关基因的突变研究, 发现 daf 2 突变使抗菌因子和分解活性氧 (reactiveoxygenspecies, ROS) 的相关酶基因表达上调 [11] 粪肠球菌通过产生过氧化物等活性氧介导对秀丽隐杆线虫的致死作用, 而秀丽隐杆线虫则通过 DAF 2/DAF 16 信号途径与热休克因子 (heatshockfactor 1,HSF 1) 之间的相互作用, 调节过氧化氢酶 ctl 1 ctl 2 及超氧化物歧化酶 sod 3 等抗氧化基因的表达, 这些基因编码的过氧化氢酶或超氧化物歧化酶能分解活性氧 [11] 另外, 也有研究发现, ROS 是秀丽隐杆线虫在病原菌的诱导下自身产生的, 从而激活抗氧化基因的表达, 发挥防御作用 [12] 1 2 TGF β 途径 TGF β 受体具有蛋白丝氨酸激酶催化结构域, 当 TGF β 受体激活后可催化转录因子 Smad 发生丝氨酸磷酸化, 磷酸化的 Smad 分子形成同源寡聚体或异源寡聚体后, 进入细胞核调节相应基因的转录速度 TGF β 途径包括一个由神经细胞分泌的蛋白分子 DBL 1, 两个表达于真皮细胞或肠上皮细胞的膜锚定受体 SMA 6 DAF 4, 三个胞质信号转导成分 SMA 2 SMA 3 SMA 4 SMA 6 与 DAF 4 结合形成 DBL 1 的受体并与之结合从而激活由 sma 2 sma 3 sma 4 sma 6 共同编码的 Smad, 研究显示 sma 2 sma 3 sma 4 sma 6 的突变使线虫对铜绿假单胞菌敏感, 可能是由于抗菌基因直接下调的结果 [13] dbl 1 是 TGF β 1 在秀丽隐杆线虫中的同源基因, 首先被发现作用于虫体体积和雄性器官的发育调节等 [14] dbl 1 的突变株与野生型相比对铜绿假单胞菌和黏质沙雷氏菌更为敏感黏质沙雷氏菌的感染能诱导参加免疫反应的溶菌酶基因 ( 如 lys 1 lys 7 lys 8) 凝集素基因及 DBL 1/TGF β 途径下游基因等的上调表达, 这些基因都受 TGF β 的调控, 表达的防御蛋白由肠上皮细胞分泌进入肠腔发挥作用 [15] TGF β 家族的其他成员包括 TIG 2 UNC 129 DAF 7, 其功能多与神经和发育有关 [16] 1 3 MAPK 途径 MAPK 属于丝 / 苏氨酸蛋白激酶, 是接受膜受体信号转换与传递并将其带入细胞核内的一类重要分子 MAPK 被激活后转移至细胞核内, 使转录因子发生磷酸化, 从而改变细胞内基因表达状态在该途径中有三条保守的信号通路, 即细胞因子抑制的抗炎药物结合蛋白激酶 (cytokine suppresiveanti inflammatorydrug bindingproteinkinase)p38/mapk 细胞外调节激酶 (extracelularregulationkinase)erk/mapk 氨基末端激酶 (c junn terminalkinase)jnk/mapk 分别对应于秀丽隐杆线虫的 PMK 1 MPK 1 KGB 1 途径病原菌敏感性增强 (enhancedsusceptibilitytopathogens,esp) 表型的突变基因 esp 2 esp 8 对应于 MAPK 途径的 sek 1 nsy 1, 分别编码 PMK 1MAPK 途径中的 MAP2K 和 MAP3K, 通过 NSY 1 SEK 1 PMK 1 级联反应介导秀丽隐杆线虫对病原菌的抗性作用 [17] PMK 1 和 KGB 1 途径都参与了氧化应激和抵抗毒性因子的反应, 两者共同作用增强了毒性调节的 MAPK 靶点 (toxin regulatedtargetofp38mapk) 基因 tm 1 tm 2 的表达, 并提高对毒素的抗性作用 [18] JNK 家族是细胞对各种应激诱导的信号转导的关键分子, 参与细胞对辐射渗透压温度变化等的应激反应 KGB 1 是 JNK 样途径的一个组件, 受 MEK 1 (MAPK 蛋白激酶 ) 激活参与重金属的防御及耐饥饿, PMK 1 的激活也受 KGB 1 途径的影响 [19] 尽管 mek 1 的突变会导致对细菌的敏感性增加, 可 KGB 1 的功能缺失没有表现出对病原菌的敏感性有影响, 相反,mek 1 基因的突变与 kgb 1 基因的突变相比对重金属更为敏感,mek 1 突变可能使得线虫不能泵出或吸收更多的金属离子, 或是由于金属离子改变了秀丽隐杆线虫的营养状态而表现出敏感性 [20] 因此认为,MEK 1 能够激活 PMK 1 调节的先天性免疫或者激活 KGB 1 介导的应激反应,MAPK 磷酸酶也参与这种途径的调节, 表明这两条途径有共同的作用方式

3 2011,31(7) 王涛等 : 秀丽隐杆线虫先天免疫信号转导途径 123 革兰氏阳性菌感染线虫后能转移到直肠或肛门的角质层引起真皮细胞附近的隆起, 最显著的特点是引起线虫的便秘乃至发育 [21] 研究发现,MEK 1MAPK 的活性降低时, 尾部的膨胀反应会消失, 从而出现严重的便秘导致发育停滞不育或者死亡 [19] MPK 1 途径对身体发育有显著作用, 但其功能的增加或缺失对病原体的敏感性没有很大影响, 大部分病原体诱导的基因表达都不由 MPK 1 激活 [20], 表明可能存在 MPK 1 非依赖的途径发挥作用 1 4 PCD 途径秀丽隐杆线虫为研究人类程序性细胞死亡 (PCD) 奠定了重要基础在秀丽隐杆线虫身上, 首次发现了基因调控的程序性细胞死亡的存在, 为确认人类基因组中存在相似功能的相关基因提供了重要依据现已知在秀丽隐杆线虫中大多数参与程序性细胞死亡的基因, 在人类基因组中都有其同源的基因为此 2002 年诺贝尔生理学或医学奖分别授予了英国科学家 Sydney Brenne 美国科学家 H RobertHorvitz 和英国科学家 JohnESulston [22], 以表彰他们发现了在器官发育和程序性细胞死亡过程中的基因规则, 这是将线虫模式生物应用于人类生命现象研究的里程碑事件 [23] 特别是近年研究发现 PCD 途径也参与到秀丽隐杆线虫的免疫应答中, 当秀丽隐杆线虫暴露于沙门氏菌中时, 会在肠道出现持续的感染, 并刺激产生细胞程序性死亡已知线虫与免疫相关的 PCD 途径包括半胱天冬酶 (caspase)ced 3, 可以与 CED 4 结合并被激活 ;CED 9 是细胞死亡调节因子家族 Bcl 1 的成员, 能抑制 CED 4;EGL 1 又能结合并抑制 CED 9 细胞凋亡基因 ced 3/-4 和 egl 1 [24] 功能缺失的突变体以及抗细胞凋亡基因 ced 9 功能增加的突变体可抑制由沙门氏菌引起的细胞程序性死亡并降低细菌存在下线虫的存活时间 PMK 1 是病原体诱导的细胞程序性死亡的一个上游调节因子, 作用于 CED 9 然而有实验发现, 铜绿假单胞菌的感染对秀丽隐杆线虫的细胞程序性死亡并没有影响 [25] 1 5 TLR 途径值得一提的是, 除上述 4 条途径外, 目前发现秀丽隐杆线虫中还存在与免疫相关的 TOLL 样受体 (tol likereceptor,tlr) 途径该途径存在一个含 TIR(tol andil 1receptor) 结构域的蛋白质, 由 tol 1 和 tir 1 两种基因共同编码 tol 1 是秀丽隐杆线虫中唯一一个编码 Tol 样受体的基因,TOL 1 多表达于感化性神经元, 可以识别病原相关模式分子来识别逃避有害因素,TOL 1 在沙门氏菌引起的免疫反应中, 可上调抵抗病原菌的防御素样分子 ABF 2 及产生应激反应的热休克蛋白 HSP 等在咽喉部的表达 [26] tir 1 也是编码 TIR 区的基因,tir 1 突变表现为 PMK 1 的磷酸化程度降低, 并对病原菌敏感, 表明 TIR 1 作用于 PMK 1 的上游, 属于 PMK 1MAPK 信号途径的一部分 [27] 在受到真菌感染时,TIR 1 与鸟苷三磷酸激酶 (GTPase)RAB 1 相互作用上调 NLP 家族成员 NLP 27 NLP 29 NLP 31 等的表达但对 tir 1 的 RNAi 研究发现 nlp 31 的表达仅受部分 TIR 1 的调节, 且不同的刺激可诱导不同 nlp 家族成员的表达, 这表明除 TIR 1 途径外还有其他调控抗菌多肽表达的途径 [28] 2 展望秀丽隐杆线虫的先天免疫系统受到复杂的信号网络调节, 通过多种信号转导途径识别逃避有害因素并产生适当的免疫防御反应来保持内外环境的稳定这 4 条信号转导途径不仅在秀丽隐杆线虫的先天免疫, 同时在神经系统代谢调节分化发育衰老机制等方面都发挥着重要的作用线虫的免疫系统在进化上有着保守的和独特的调节机制, 这为研究和发现人类等高等生物复杂的免疫调节机制奠定了重要基础虽然目前二者之间关联的报道还不多, 但无疑, 对线虫免疫作用和机制的研究不仅能为高等生物的免疫调节机制提供理论基础, 而且在药物筛选等方面也具有重要的研究价值和发展空间 [29] 参考文献 [1] BrennerS.ThegeneticsofCaenorhabditiselegans.Genetics, 1974,77(1): [2] CouilauctC,EwbankJJ.DiversebacteriaarepathogensofC. elegans.infectimmun,2002,70(8): [3]EwbankJJ.Tacklingbothsidesofthehost pathogenequation withcaenorhabditiselegans.microbesinfect,2002,4(2): [4]KwonES,NarasimhanSD,YenK,etal.A new DAF 16 isoform regulates longevity. Nature, 2010, 466(7035): [5]KenyonC.Thefirstlong livedmutants:discoveryoftheinsulin/ IGF 1pathwayforageing.PhilTransR SocB,2011,366 (1561):9 16. [6]EvansEA,ChenW C,TanM W.TheDAF 2 insulin like

4 124 中国生物工程杂志 ChinaBiotechnology Vol.31No signalingpathwayindependentlyregulatesagingandimmunityin Caenorhabditiselegans.AgingCel,2008,7(6): [7] WiliamsTW,DumasK J, Hu P J. EAK proteins: novel conservedregulationofcaenorhabditiseleganslifespan.aging, 2010,1(10): [8] JensenVL,SimonsenK T,LeeY H,etal.RNAiscreenof DAF 16/FOXO targetgenesin Caenorhabditiseleganslinks pathogenesisanddauerformation.plosone,2010,5(12):1 8. [9] MurphyCT,McCarolSA,BargmannCI,etal.Genesthat actdownstream of DAF 16 to influence the lifespan of Caenorhabditiselegans.Nature,2003,424(6946): [10] ShiversRP,Youngman M J, Kim D H. Transcriptional responsestopathogensin Caenorhabditiselegans. CurOpin Microbiol,2008,11(3): [11] YokoH,MasashiT,ShujiH.Redoxregulation,geneexpresion andlongevity.geriatrgerontolint,2010,10(1): [12]ChavezV,Mohri ShiomiA,MaadaniA,etal.Oxidativestres enzymesarerequired fordaf 16 mediated immunitydueto generationofreactiveoxygenspeciesbycaenorhabditiselegans. Genetics,2007,176(3): [13] ZugastiO,EubankJJ.Neuroimmuneregulationofantimicrobial peptidexpresionbyanoncanonicaltgf βsignalingpathwayin Caenorhabditiselegansepidermis.NatImmunol,2009,10(3): [14] MaloGV, KurzC L, CouilaultC. Inducibleantibacterial defensesystem in C. elegans. CurBiol,2002,12(14): [15] RobertsAF,GumiennyTL,GleasonRJ.Regulationofgenes afectingbodysizeandinnateimmunitybythedbl 1/BMP like pathwayincaenorhabditiselegans.bmc DevBiol,2010,10 (61):1 10. [16] KurzCL,TanMW.Regulationofagingandinnateimmunityin Caenorhabditiselegans.AgingCel,2004,3(4): [17]BolzDD,TenorJL, AbalayA. A conserved PMK 1/P38 MAPK is required in Ceanorhabditis elegans tisue specific immuneresponse.jbiolchem,2010,285(14): [18] MizunoT,HisamotoN,TeradaT,etal.TheCaenorhabditis elegansmapk phosphatasevhp 1mediatesanovelJNK like signalingpathwayinstresresponse.embo,2004,23(11): [19] NicholasHR, Hodgkin J. TheERK MAPK kinasecascade mediatestailswelingandaprotectiveresponsetorectalinfection in Caenorhabditis elegans. Cur Biol, 2004, 14(14): [20] KimDH, LiberatiN T, Mizuno T, etal. Integration of CaenorhabditiselegansMAPKpathwaysmediatingimmunityand stresresistancebymek 1 MAPK kinaseandvhp 1 MAPK phosphatase.proc NatlAcad SciUSA, 2004, 101(30): [21] Gravato NobreM J,Hodgkin J. Caenorhabditiselegansasa modelforinnateimmunitytopathogens.celmicrobiol,2005,7 (6): [22] PutchaGV,JohnsonEM. Menarebutworms: neuronalcel deathinc.elegnasandvertebrates.celdeathdifer,2004,11 (1): [23] 王凯. 生命科学研究中常用模式生物. 生命科学研究,2010, 14(2): WangK.LifeScienceResearch,2010,14(2): [24] NehmeR,ConradtB.Egl 1:akeyactivatorofapoptoticcel deathinc.elegans.oncogene,2008,27(1): [25] AbalayA,AusubelFM.Programmedceldeathmediatedby ced 3andced 4protectsCaenorhabditiselegansfrom Salmonela typhimurium mediatedkiling.procnatlacadsciusa,2001, 98(5): [26] TenorJL,AbalayA.AconservedTol likereceptorisrequired forcaenorhabditiselegansinnateimmunity.scientificreport, 2008,9(1): [27] LiberatiNT,FitzgeraldetKA,Kim DH,etal.Requirement foraconservedtol/interleukin 1resistancedomainproteininthe C.elegansimmuneresponse.ProcNatlAcadSciUSA,2004, 101(17): [28] CouilaultC,PujolN,ReboulJ,etal.TLR independentcontrol ofinnateimmunityincaenorhabditiselegansbythetirdomain adaptorprotein TIR 1,an ortholog ofhuman SARM. Nat Immunol,2004,5(5): [29] 杨再昌, 杨小生. 秀丽隐杆线虫 (Caenorhabditiselegans) 在药物筛选中的应用. 生命科学,2009,21(4): YangZC,YangXS.ChineseBuletionofLifeSciences,2009, 21(4):

5 2011,31(7) 王涛等 : 秀丽隐杆线虫先天免疫信号转导途径 125 CurrentProgresontheSignalTransductionPathwayof InnateImmunityinCaenorhabditisElegans WANGTao 1,2 DULi 1 MAQiong 1 CUIYu fang 1 (1BeijingInstituteofRadiationMedicine,AcademyofMilitaryMedicalSciences,Beijing ,China) (2StateKeyLaboratoryofMilimeterWave,SoutheastUniversity,Nanjing ,China) Abstract Caenorhabditiselegans(C.elegans)hasbeenwidelyusedasamodelorganismintheresearchof nervoussystem,agingmechanismsandprogrammedceldeath,owingtoitsadvantagesofsimpletisuestructure, easilyculture,shortlifecycle.diferentfromhigherorganisms,c.elegansislackofadaptiveimmune,onlythe innateimmuneplaysanimportantroleinanti bacteria,anti oxidativestresandsoon.fourimmune related signaltransductionpathwayinc.elegans,includinginsulin receptor likepathway,transforminggrowthfactorβ (TGF β)pathway,mitogenactivatedproteinkinases(mapk)pathwayandprogrammedceldeath(pcd) pathwayplaymajorrolesinvariousconditionsofenvironment.meanwhile,theinnateimmunesystem ofc. elegansisconservativeinmanyrespects,whichprovidesnewideaforresearchofimmunemechanism inhigher organisms.accordingly.theprogresoninnateimmunesignaltransductionpathwayinc.elegansisreviewed, expectingtoprovidesomereferenceforinvestigatinginnateimmunerelated tohigherorganismsincluding mankinds. Keywords Caenorhabditiselegans Innateimmunity Stres Signaltransductionpathway

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