专访程功:你所不知道的虫媒传染病研究

【字体: 时间:2016年04月15日 来源:生物通

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  “这个领域长期以来都是研究的“空白地带”,目前国际上绝大多数实验室都在研究病毒与动物宿主的感染关系,而我们团队能有机会涉足这块研究的“处女地”,能够换一种角度去理解虫媒传染病,对我来说很‘享受’这种填补‘空白’的感觉。”

  

   

“这个领域长期以来都是研究的“空白地带”,目前国际上绝大多数实验室都在研究病毒与动物宿主的感染关系,而我们团队能有机会涉足这块研究的“处女地”,能够换一种角度去理解虫媒传染病,对我来说很‘享受’这种填补‘空白’的感觉。”

——清华大学医学院程功研究员

生物通报道:虫媒传染病,虽然听起来专业且高深莫测,但实际上和我们的生活息息相关,从小时候需要接种疫苗的乙脑,到一入夏天就要提高警惕的登革热,还有近期引发全世界恐慌的寨卡病毒等等,都属于虫媒传染病的范畴。

   近期清华大学医学院的一项研究首次发现并报道了媒介昆虫肠道内生菌在肠道内定植的分子机制,为媒介传染病的防控提出了新颖的观点。这一研究成果公布在Nature Microbiology杂志上,通讯作者是清华大学医学院程功研究员,程功研究员主要致力于蚊媒病毒感染机制与抗病毒免疫研究,从分子层面阐明多种重要蚊媒病毒感染传播的分子机制及宿主免疫保护机制,根据发现的靶点研发新型疫苗干预措施,为重要蚊媒病毒的防治提供生物学基础。

   在这项最新研究中,程功研究组利用RNA干扰在埃及伊蚊及致倦库蚊体内筛选鉴定出多种C型凝集素蛋白,该类蛋白可有效促进蚊媒肠道内生菌在肠道内的存活与定植。研究人员对C型凝集素促进蚊媒肠道内生菌定植的作用机制进行了深入研究,发现肠道内生菌可通过激活Imd免疫通路,同时诱导抗菌肽和C型凝集素的高表达,C型凝集素通过阻滞抗菌肽与肠道菌的结合,而使肠道菌躲避了抗菌肽对其杀伤,从而在蚊子肠道中稳定存活。

   为了深入了解这项重要的研究成果,也为了探讨虫媒传染病研究的方方面面,生物通特联系了程功研究员,就读者感兴趣的问题请教了他。

生物通:传染病媒介昆虫,如蚊子并不会像人类和其它动物一样产生抗体来针对特殊的感染,那么研究蚊虫的天然免疫对于传染病防治具有何种意义呢?

程功研究员:虫媒传染病是一类由节肢动物携带并且通过接触或叮咬传播给易感脊椎动物宿主的一类传染病。目前,多种新发再发虫媒传染病在全球暴发流行,比如疟疾、登革热、西尼罗热,以及最近引发全世界恐慌的寨卡病毒感染相关的小头畸形等,给全世界带来非常严重的公共健康负担。目前多数虫媒传染病仍没有任何疫苗及治疗药物,因此从“源头”研究和理解虫媒传染病的致病机制、传播机制及宿主免疫保护机制显得尤为重要。

   在虫媒病原体的传播循环过程中,脊椎动物 (人) 宿主及节肢动物媒介是病原体在自然界中的天然感染宿主。有趣的是,人及动物宿主感染病毒后通常会出现脑炎、脑膜炎、出血热等严重的临床症状,重度感染可导致宿主死亡。但是,节肢动物媒介感染病原体后却完全不体现出任何恶性症状,感染的节肢动物媒介的生存寿命及行为均不受病原体感染的影响,因此该类节肢动物可以长期带毒并作为传播媒介高效率的传播病毒。

   以上现象说明节肢动物体内已经进化出了某种特异性的免疫机制去阻抑病原体大范围扩散,并且防止病原体感染对组织的破坏作用。我们的研究方向之一就是探讨节肢动物媒介免疫系统如何成功的“管理”体内的病原体:如何即不完全消灭病原体又防止病原体扩增对组织的破坏作用?理解节肢动物媒介免疫系统对阐明“媒介-病原体”互作关系非常关键。

   进一步,我们将从两方面解释研究蚊虫天然免疫对于虫媒传染病防治的重要性:

1. 为虫媒传染病的药物研发提供重要干预靶点。节肢动物之所以可以无症状携带病原体主要是归功于其强大的免疫系统。之前研究结果显示,一旦感染蚊虫媒介的免疫系统被破坏,感染蚊虫媒介的生存寿命会大幅下降,传播病原体的几率也随之降低 (可见我们之前的研究:Xiao et al., PLoS Pathogens, 11, e1004848)。因此,我们可以展望一下:如果利用蚊虫免疫因子作为靶点,研发类似于农药的喷洒药物拮抗蚊虫的免疫系统,该种药物可使感染蚊虫迅速死亡,但是对非感染蚊虫没有杀伤作用。这种药物既可以阻断虫媒病原体传播,又不会破坏蚊虫种群影响生态系统,是一种绿色的虫媒传染病防治策略。

2. 为探讨虫媒病原体与人类免疫系统的互作关系提供研究思路和研究靶点。目前研究“虫媒病原体-人感染关系”的动物模型主要是小鼠,但是很多虫媒病原体在小鼠等模式动物体内不能有效感染扩增,因此在常规模式动物中得到的数据是否真实反映“虫媒病原体与人类免疫系统的互作关系”仍是一个值得关注的问题。比如,缺乏合适的动物模型问题目前在登革热研究中显得尤为突出。另外一方面,节肢动物媒介及人均是多种重要虫媒病原体的天然感染宿主。节肢动物媒介与人类的先天免疫系统在进化上相对保守。因此,以病原体的天然媒介——节肢动物为模型研究 “宿主—病原体互作”关系,研究并发现节肢动物媒介免疫系统限制病原体的分子机制,将有助于寻找人类免疫系统限制虫媒病原体感染的关键因子。

生物通:您的这项研究首次发现了媒介昆虫肠道内生菌在肠道内的定植的分子机制,这是否说明可以利用共生菌促进无脊椎动物中宿主免疫反应,用于传染病防控呢?

程功研究员:虫媒传染病是通过媒介蚊虫叮咬传播给人类及动物宿主的一类疾病。媒介蚊虫传播的病原体一般在节肢动物媒介和动物宿主之间传播循环。在这个过程中,感染的动物宿主血液中存在大量病原体,节肢动物媒介可通过吸食宿主血液将病原体吸食到中肠组织。随后,病原体感染节肢动物媒介中肠细胞,进入蚊虫的血腔并通过体液循环扩散到唾液腺等组织,病原体在唾液腺内充分增殖后,可通过节肢动物媒介叮咬注射进入新的宿主,完成整个传播循环。

   在整个过程中,中肠是节肢动物媒介接触病原体的首个器官,因此中肠屏障 (midgut barrier) 是决定媒介蚊虫感染和携带病原体能力的决定因素,其中肠道内定植的微生物菌群是中肠屏障的关键组成部分。在吸血过程中,病原体随血液进入节肢动物肠道并与蚊媒肠道内定植的微生物菌群 (Gut microbiota) 相互作用,因此节肢动物肠道微生物以及其诱导的免疫及代谢反应是影响病原体是否能成功感染媒介蚊虫的决定性因素之一。

   举几个例子:放线菌 (Actinomycetes) 是一类在蚊子肠道中常见的共生菌,这种细菌的次级代谢产物具有明显的抗细菌、抗真菌和抗病毒功能。另一种在土壤及水体中常见的青紫色素杆菌 (Chromobacterium violaceum) 也是媒介昆虫肠道中的常见共生菌,青紫色素杆菌具有显著的抗病毒功能。最近一项研究从冈比亚按蚊及埃及伊蚊鉴定出一类色素杆菌属的细菌 (Chromobacterium sp.) 可有效抵抗疟原虫及登革病毒感染媒介蚊虫。此外,从白纹伊蚊肠道中分离得到的多种共生菌,包括假单胞菌 (Pseudomonas rhodesiae)、肠杆菌 (Enterobacter ludwigii) 以及漫游球菌 (Vagococcus salmoninarium) 可以通过诱导抗病毒因子的表达有效抵抗克罗斯病毒对蚊媒宿主的感染。因此通过干预蚊虫肠道微生物的组成正在成为阻断虫媒病原体传播的一项新型干预策略。

   此外,利用肠道共生菌促进节肢动物媒介肠道免疫反应拮抗病原体对媒介蚊虫的感染只是一个方面。肠道共生菌自身产生的次级代谢产物是杀灭病原体的另外一个主要原因。在节肢动物媒介中定植特定的肠道共生菌可有效降低媒介蚊虫的带毒率,阻断虫媒病原体的传播。

生物通:此前的一些研究都是通过共生菌来减少蚊子寿命,如沃尔巴克氏共生菌,您的这一研究的主要思路是什么,是否可以给我们介绍下?

程功研究员:沃尔巴克氏体感染蚊媒后可降低蚊虫寿命,并大幅降低蚊虫携带病毒的能力。该项策略已经在世界多个国家进行野外现场试验,取得不错的效果。除此以外,由于多种肠道微生物可拮抗病原体感染,调控媒介蚊虫肠道菌群也是近年来广泛关注的一种媒介传染病控制策略。我们的研究帮助人们了解蚊媒如何维持与肠道微生物的共生关系,发现的相关蛋白因子为今后通过肠道微生物控制蚊媒传染病散播提供可能的干预靶点。

   该项研究使用了多种蚊媒操作技术,比如通过对蚊虫显微注射进行基因沉默,胸腔注射感染,制备无肠道菌群的蚊虫,肠道共生菌分离鉴定,共生菌的肠道定植技术,以及一些常规的生化及分子生物学技术。

生物通:中肠屏障是指什么?与肠道内微生物菌群有何关联呢?

程功研究员:虫媒病原体,比如说疟原虫及虫媒病毒等,对媒介蚊虫的组织也会有一定的破坏作用,因此,节肢动物媒介也需要阻抑该类病原体的感染。中肠屏障是指节肢动物媒介中肠中形成的一套拮抗病原体感染的保护机制。并不是一个实体的组织,而是泛指中肠上皮细胞产生的免疫反应、各种蛋白酶类及肠道共生菌产生的代谢产物等形成的一种拮抗病原体感染的保护屏障。

   肠道内定植的微生物菌群是中肠屏障的关键组成部分,一方面可以刺激肠道细胞产生大量免疫分子,另一方面自身产生的代谢产物可拮抗病原体感染入侵。

生物通:您的研究组此前也曾多次发表蚊媒病毒感染机制与抗病毒免疫方面的世界首发性成果,作为这一领域的前沿科学家,您能给我们介绍下这一领域的研究现状与前景吗?

程功研究员:研究蚊媒抗病毒免疫的重要性和意义已经阐述。我需要在强调一下研究蚊媒病毒感染机制方面的重要性,这也是该领域研究的一个重要前景:寻找病原体感染蚊虫的关键因子,以该因子为靶点研发传播阻断策略阻断病原体在自然界的传播。

   其实,对于虫媒传染病的预防,除了传统减毒或灭活疫苗以外,还可以研发一种传播阻断疫苗。传播阻断疫苗是一种在宿主中免疫某种抗原蛋白阻断病原体传播途径,从而降低节肢动物媒介感染率及宿主发病率的疫苗免疫策略。传播阻断疫苗作为传统疫苗的重要补充,在疟疾的防治过程中起到重要作用。疟原虫在感染过程中分化出不同的形态,利用疟原虫配子细胞 (gametocyte) 特异蛋白Pfs48/45及Pfs25/28免疫后,抗血清可以在吸血过程中有效阻断疟原虫感染蚊子,大幅降低蚊子的感染率。以Pfs48/45及Pfs25/28作为干预靶点的抗疟疾传播阻断疫苗已经进入II期临床实验。

   我们之前的研究首次提出了一种新型抗登革热传播阻断疫苗策略并验证了有效性 (Liu et al., 2014, PLoS Pathogens, 10, e1003931)。我们利用RNAi筛选的方法在埃及伊蚊体内鉴定出9种C型凝集素蛋白 (mosGCTL) 作为重要受体辅助登革病毒感染埃及伊蚊。实验结果表明, 9种mosGCTL的抗血清可以有效阻止埃及伊蚊在吸血的过程中获取登革病毒的能力,并有效降低埃及伊蚊的感染率,表明在宿主中免疫mosGCTL蛋白可以有效的阻止登革病毒在自然界的传播。登革热作为世界上最严重的病毒性虫媒传染病尚无特效药物及疫苗。我们利用鉴定出的mosGCTL受体作为干预靶点,首次提出了一种新型抗登革热传播阻断疫苗 (transmission-blocking vaccine) 策略并验证了有效性,该疫苗将在宿主中免疫mosGCTL受体蛋白来切断登革热的传播途径,为未来控制登革热的暴发和流行提供了新的手段。

   虽然众所周知蚊子携带和传播了大量人类致病病毒,但是蚊媒病毒相关研究不算一个热门的研究领域。目前对于蚊媒病毒研究主要关注病毒在哺乳动物宿主中的感染机制及抗病毒免疫机制,对于病毒与蚊媒的互作关系研究非常有限。但是随着多种新发再发蚊媒传染病在全球暴发流行,研究和理解蚊媒传染病的传播机制、媒介感染机制及免疫保护机制显得尤为重要,因此我们相信越来越多的科学家会开始关注这个领域。

生物通:您刚才也说这一研究领域并不是典型的热门研究领域,您为何会选择这一研究道路呢?

程功研究员:重要病毒的感染机制及免疫保护机制一直是我最主要的研究兴趣。我在博士阶段主要从事口蹄疫病毒相关研究,在博士后训练阶段主要从事西尼罗病毒研究,目前我领导的研究团队已将研究兴趣扩展到了多种重要蚊媒病毒与宿主的互作关系,这包括“病毒如何感染动物宿主”、“病毒如何感染节肢动物媒介”以及“病毒如何在宿主-媒介之间传播”等很多有意思的科学问题,这其中的复杂分子机制非常吸引我,是我开展研究的主要动力。

   另一方面,基于虫媒传染病的独特性质,使得研究病毒感染与媒介的相互关系显得尤为重要,但是这个领域长期以来都是研究的“空白地带”,目前国际上绝大多数实验室都在研究病毒与动物宿主的感染关系,而我们团队能有机会涉足这块研究的“处女地”,能够换一种角度去理解虫媒传染病,对我来说很“享受”这种填补“空白”的感觉。而且在这样的领域,更容易做出原创性的研究和科研成果,为虫媒传染病的治疗和预防带来新的解决思路。

   从个人性格来说,我不是一个善于追逐热点的科研工作者,我本人更喜欢在自己的领域“埋头”工作,这样可以将研究做得非常深入。对我来说,追随自己的研究兴趣要比追逐热点更加重要。

作者简介:
程功研究员主要致力于蚊媒病毒感染机制与抗病毒免疫研究,从分子层面阐明多种重要蚊媒病毒感染传播的分子机制及宿主免疫保护机制,根据发现的靶点研发新型疫苗干预措施,为重要蚊媒病毒的防治提供生物学基础。
程功研究员研究组近年来在国际著名病原学期刊PLoS Pathogens (公共科学图书馆•病原体) 连续发表一系列研究成果。近期,程功研究员研究组在国际权威综述期刊Trends in Parasitology (研究趋势•寄生虫学) 发表蚊媒抗病毒系统特邀专题综述,说明程功研究员研究组在蚊媒传染病领域的研究得到了国际同行关注和肯定。
在此基础上,程功研究组拓展思路,建立了肠道内生菌群与蚊子天然免疫之间的联系,阐明了肠道内生菌群稳定存在的机制,促进人们对蚊虫肠道内生菌群与病原体易感性之间关系的深入理解,对研发新型虫媒传染病防控策略产生积极的推动作用。程功研究员的研究得到国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”、面上项目、科技部蛋白质重大研究计划、英国皇家医学会“牛顿高级学者”项目及盖茨基金会GCE项目的资助。

原文摘要:
Mosquito C-type lectins maintain gut microbiome homeostasis
The long-term evolutionary interaction between the host immune system and symbiotic bacteria determines their cooperative rather than antagonistic relationship. It is known that commensal bacteria have evolved a number of mechanisms to manipulate the mammalian host immune system and maintain homeostasis. However, the strategies employed by the microbiome to overcome host immune responses in invertebrates still remain to be understood. Here, we report that the gut microbiome in mosquitoes utilizes C-type lectins (mosGCTLs) to evade the bactericidal capacity of antimicrobial peptides (AMPs). Aedes aegypti mosGCTLs facilitate colonization by multiple bacterial strains. Furthermore, maintenance of the gut microbial flora relies on the expression of mosGCTLs in A. aegypti. Silencing the orthologues of mosGCTL in another major mosquito vector (Culex pipiens pallens) also impairs the survival of gut commensal bacteria. The gut microbiome stimulates the expression of mosGCTLs, which coat the bacterial surface and counteract AMP activity. Our study describes a mechanism by which the insect symbiotic microbiome offsets gut immunity to achieve homeostasis.

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