综述：进化遗传学与生态免疫学相遇：免疫系统演化的洞见

《Current Opinion in Genetics & Development》：Evolutionary genetics meets ecological immunology: insights into the evolution of immune systems

本综述探讨了进化遗传学与生态免疫学的交叉融合，指出整合基因组选择信号分析与生物体生态生活史背景，能更深入揭示免疫适应（如耐受性tolerance vs. 抵抗性resistance）的演化驱动力与约束条件（如资源分配权衡），为理解自然种群免疫多样性提供了新范式。

　　

引言

从二十一世纪初多个物种和个体全基因组序列的释放开始，进化遗传学家获得了一个激动人心的机会：在全基因组范围内 interrogate 自然选择的目标。二十五年后，基因组"选择扫描"已应用于数百个物种，产生了一个高度一致的发现：参与宿主免疫的基因和调控元件在种内和种间假定的自然选择目标中显著过度代表。

然而，选择信号本身并不能提供对免疫系统多样性和适应的完全令人满意的理解。选择行动的证据并不能告诉我们等位基因变异的免疫学后果、选择发生的生态背景，或免疫性状演化的约束。因此，我们常常无法解释 intriguing 但 puzzling 的适应特征。例如，如果寄生虫损害宿主的生育力或生存力——宿主适应度的两个基本组成部分——为什么有些种群进化出积极的免疫反应，而另一些则没有？

将遗传学方法与生态免疫学（Ecoimmunology，有时也称为进化免疫学）——研究自然系统中免疫表型如何以及为何变化的学科——相结合，可能部分解决此类难题。生态免疫学考虑免疫反应的成本效益计算：免疫反应可能限制和摧毁病原体，但也会产生能量成本并造成附带损害（免疫病理学）。因此，生态免疫学方法强调取决于宿主生态和生活史（即生存、发育和繁殖的模式和时间）的适应性权衡。这一视角推动了明确理论的发展，以解释免疫系统基本特性（如抵抗力、耐受性和敏感性）在种内和种间的变异。

何处以及何时免疫防御应成为自然选择的目标？

宿主免疫系统包括参与寄生虫识别（例如模式识别受体）、信号传导与协调（例如细胞因子、JAK-STAT通路蛋白）、记忆（例如脊椎动物淋巴细胞、细菌中的CRISPR/Cas间隔序列）和毒性（例如脊椎动物自然杀伤细胞、抗菌肽AMPs）的组分。这些组分的活性和效率通常具有可遗传的成分，因此可以通过自然选择进化。然而，某些类别的免疫基因，如脊椎动物的主要组织相容性复合体（MHC）和人类干扰素信号通路组分，比其他基因表现出更一致和/或更强的选择特征。

为什么是这些基因座而不是其他？为什么在某些分类群中如此而非全部？生态免疫学文献强调，免疫系统组分的重要性或效率部分地是生活史和环境的函数（例如，人类疫苗反应随年龄减弱；暴露于自然环境会改变实验室小鼠品系的免疫表型）。例如，在具有慢生活史的物种中，繁殖前期的存活通常解释了终身适应度指标的相当大方差。这种模式预测，在此类物种中，选择特征应特别明显地体现在生命早期更活跃或对寄生虫抵抗力更重要的免疫组分上。事实上，在生命早期更高表达的基因显示出更强的纯化选择信号；将此类分析扩展到专注于免疫库可以在明确的生态免疫学背景下检验这一想法。

生态免疫学文献还强调了免疫反应中防御机制部署时机的重要性。在人类中，疫苗接种前的免疫状态预测了许多疫苗的抗体反应，这表明组成型免疫状态对于调节对活动性感染的反应很重要。类似地，在果蝇中，感染后早期抗菌肽产生的细微变化有助于解释细菌感染后存活率的变异。在感染结果对组成型或早期防御感染最敏感的情况下，控制这种变异的基因座因此应携带强烈的选择特征——这是另一个可检验的假设。

最后，生态免疫学视角有助于拓宽免疫适应的概念，将没有明显免疫功能基因包括进来。例如，赤拟谷盗粉甲虫对反复寄生虫暴露的实验性适应涉及免疫和代谢通路中基因调控的变化。因此，对免疫反应的选择可能不仅作用于控制近端病原体反应的基因，也作用于那些在资源获取和分配中起功能的基因。通常不被归类为"免疫"基因座的基因在多大程度上也因免疫选择压力而经历了适应性进化，目前尚不清楚。量化免疫基因表达与"非免疫"基因调控之间的遗传相关性——尤其是在应对寄生虫威胁时——可能有助于解决这个问题。

什么限制了免疫进化？

一个基本的预期是，如果寄生虫感染限制了宿主适应度，免疫表型应该适应这种选择压力。然而，宿主抵抗力通常远非完全。在某些情况下，宿主可能根本没有足够的时间来适应。但是当宿主和寄生虫在长时间尺度上相互作用时，就需要其他解释。在进化遗传学中，一个主要的焦点是宿主-寄生虫协同进化和进化军备竞赛，寄生虫经历选择以逃避宿主防御，同时宿主经历选择以限制寄生虫。例如，蛋白激酶R在灵长类动物中显示出反复适应性进化的证据，以逃避痘病毒的破坏，而痘病毒本身也在快速进化。在宿主防御和寄生虫逃避可以通过相对简单的遗传机制进化的情况下，进化军备竞赛显然很重要。

然而，自然界中的宿主面临多种寄生虫，维持多种成本不同的免疫防御形式，并且需要在生命过程中优化这些防御的部署。因此，生态免疫学视角强调，免疫反应需要将资源从繁殖或生长中 costly 地重新分配，同时也带来免疫病理学的潜在风险。取得正确的平衡取决于宿主的生活史策略和环境背景。例如，在圣基尔达的野生索艾羊中，自身反应性抗核抗体浓度预测了在高死亡率年份更高的越冬存活率，但生育力较低。由此产生的权衡解释了对抗寄生线虫的"不完全"防御，尽管其对适应度的代价是明确的，并且种群中存在抵抗机制的遗传变异。

因此，生态免疫学思维可以直接解释在基因组中观察到的选择特征。迄今为止最好的例子之一是淡水三刺棘鱼观察到的抵抗力-生育力权衡，它们通过纤维化疤痕包裹绦虫感染来应对。纤维化诱导生育力成本，因此一些种群进化出了耐受表型，部署最小的纤维化而不是抵抗。这些种群用增加的感染死亡率代价换取更高的生育力。抗性和耐受种群之间的序列比较显示，感染相关性状的数量性状基因座与区分这些种群的假定选择目标共定位。因此，即使存在致衰弱寄生虫，有助于"较弱"免疫反应的等位基因也可能被青睐。这项工作展示了如何根据宿主生活史和生态学背景来理解遗传数据中的选择特征——包括易感表型。

反过来，进化遗传学方法有助于具体化生态免疫学理论核心的关于约束的论点。生活史权衡限制免疫进化的论点隐含地假设这些权衡在某种程度上是遗传的。例如，对更强免疫抵抗力的自然选择，如果免疫和生活史性状共享部分遗传基础，可能会对生活史的其他方面产生负面影响。然而，在自然种群中，限制生活史进化响应选择的遗传相关性的证据是混杂的。因此，只要可能，检验自然种群中免疫和生活史性状之间的遗传相关性应成为评估生态免疫学理论预测的标准做法。这种方法在实验进化研究中已经产生了有趣的发现。例如，在 Plodia 蛾中，对病毒的更强抵抗力与在资源贫乏环境中发育速度呈负相关，即使在没有病毒威胁的情况下。这种权衡在高资源环境中消失，这是由于与抵抗力相关的单核苷酸多态性发生资源依赖性变化。像这样的约束反过来会影响对选择的反应。在果蝇中，构成免疫与发育之间遗传相关性的遗传变异比仅影响其中一种功能的基因受到更强的进化约束。类似过程在自然种群中适用的程度是一个成熟领域，可供进化遗传学和生态免疫学更紧密结合。

解释跨物种免疫防御的进化起源

最后，生态免疫学方法为比较基因组分析揭示的抵抗机制多样性提供了一个窗口。例如，Bat1K项目显示，蝙蝠免疫基因的选择特征比在其他哺乳动物中更为显著，特别是涉及抗病毒防御和干扰素产生的基因。许多蝙蝠病原体在感染期间不产生明显症状，这表明对蝙蝠的选择可能偏向于耐受性而非抵抗力。对小鼠的研究表明，耐受反应与抵抗反应相比，能量消耗更低。因此，生态免疫学观点认为，耐受性更可能在资源限制强烈的物种中进化；蝙蝠就是这样一个例子，因为飞行的高代谢需求。蝙蝠相对于其体型也寿命很长，这被认为选择增加免疫耐受性，因为在更长的生命某个阶段感染的概率增加。

生活史策略的转变也可能解释免疫基因补体的其他变化。例如，妊娠的进化产生了一个独特的免疫自我/非自我识别挑战：怀孕个体必须避免排斥胚胎，即使它是一种免疫系统防范的非自身组织。胎盘哺乳动物采用许多免疫抑制机制来促进植入和妊娠。海龙和海马显示出伴随雄性妊娠进化的更显著特征：大量适应性免疫基因的丢失或假基因化，以及功能后果，如海马脾脏的丢失。在这里，生态免疫学视角有助于解释通过比较基因组学观察到的异常模式。它还提供了进一步可检验的预测，例如在同样进化出胎生的爬行动物中，病原体识别基因的选择和潜在丢失，以及有袋类动物和胎盘哺乳动物之间免疫基因库的差异。

非模式物种基因组资源的扩展因此有望更具体地体现生态免疫学的关键概念（例如，组成型防御与诱导型防御；耐受性与抵抗力）。仅在过去的两年里，基因组组装计划就产生了超过400种鸟类和哺乳动物的基因组。这些基因组资源有助于提出候选分子机制，这些机制构成了非模式生物免疫变异和进化的基础，在这些生物中，免疫表型可能特别难以直接表征（例如，由于缺乏抗体或其他关键试剂）。此类资源也应有助于促进受生态免疫学启发的"系统发育基因型到表型"研究，这些研究旨在定位跨物种趋同性状（或性状丢失）的共享遗传基础，同时考虑进化历史的影响。例如，理论预测在长寿生物中增加对免疫防御——特别是免疫记忆——的投资。因此，具有长质量调整寿命的物种可能在免疫通路整体上表现出趋同的适应信号，尤其是在编码病原体特异性反应的免疫基因中。此类分析也可能有助于区分可能的选择驱动因素，例如对蝙蝠免疫耐受表型的寿命选择与飞行选择的相对贡献。

展望

免疫系统是遗传和表型多样性的热点，免疫功能是从自然种群研究中已知的最重要的适应度决定因素之一。进化遗传学和生态免疫学研究都支持其在进化中的核心地位。因此，整合这两种视角不仅提供了识别免疫系统中适应性进化足迹的机会，而且理解了产生这些足迹的选择压力和约束。这一推理解释了个体、种群或物种为何比其他更容易受到寄生虫侵害，因此具有基础和应用科学意义。

这项工作路线图已经可以从一小部分开创性研究中获得，这些研究展示了如何将适应度测量、选择的遗传证据以及对免疫生态选择压力的理解在自然种群中结合起来。随着基因组数据生成对此类系统变得越来越可行，我们预计这一研究方向将在未来扩展。突破最有可能来自那些个体水平适应度可测量且其与免疫的联系至少部分被理解的系统（例如，索艾羊和其他长期野外研究）。同时，常规纳入遗传学方法应有助于评估生态免疫学的关键假设：例如，生活史-免疫权衡是部分遗传编码的，或者性状具有有利于快速响应选择的遗传结构。最终，生态免疫学与进化遗传学之间增加的交流应能促进发展更好的理论和假设，用于实证进化免疫遗传学。

生态免疫学通常假设其感兴趣性状具有部分遗传基础（即能够响应自然选择），但在预测进化动态时可以安全地忽略这些性状的遗传结构。这些假设类似于行为生态学的"表型博弈"：在这种情况下，生态免疫学家"不得不在无知中希望她的方法几乎能起作用，无论哪个特定的遗传系统 underlying 该性状。"

在生态免疫学中，如同在行为生态学中一样，这种博弈是出于必要而进行的，但自然种群基因组数据集的扩展正在改变这一局面。它们揭示，虽然一些免疫性状具有相对简单的寡基因结构（例如，野生蝇子草对新型真菌病原体的抵抗力；索艾羊抗蛔虫IgA抗体的丰度），但其他是多基因的（例如，Plodia 对病毒感染的抵抗力；欧洲白蜡树对 Hymenoscyphus 真菌感染的抵抗力）。某些性状的多基因性可能部分归因于复杂的、冗余的免疫信号网络的进化，这些网络在感染过程中对破坏更具鲁棒性。

这些差异对生态免疫学很重要。数学模型显示，当免疫反应与生活史性状遗传相关时，不同的遗传结构会产生不同的自然选择响应。其他模型显示，当感染在成年期比生命早期更可能发生时，与发育通路多效性连接的免疫调控网络 predicted 比没有这种连接的网络更具适应度。而对选择响应的一般模型表明，对性状最优值的重大转变（例如，新型寄生虫威胁）对于部分由大效应基因座塑造的性状可能发生得更快。因此，理解自然种群中免疫性状的遗传结构（例如，基因座数量、效应大小分布、与其他适应度相关性状的多效性程度）是理解免疫性状进化历史和进化潜力的关键下一步。如同行为生态学一样，生态免疫学应该"超越博弈"。