综述：表观遗传学与非编码RNA在宿主-内共生体相互作用中的作用：来自沃尔巴克体（Wolbachia）及其他研究领域的启示

《Current Opinion in Immunology》：Epigenetics and non-coding RNAs in host-endosymbiont interactions: insights from Wolbachia and beyond

共生关系在进化中起关键作用，昆虫与内共生细菌 Wolbachia 的互作涉及表观遗传调控和非编码RNA网络。通过 Wolbachia-Aedes aegypti 模型，研究发现宿主 miRNA（如 miR-2940）和 lncRNA（如 aae-lnc-7598）可调控共生体维持与病毒防御，同时 Wolbachia 自身分泌的小RNA可能参与跨kingdom 调节。RNA 甲基化（m6A/m5C）也影响宿主-病毒-共生体三向互作，但其功能因宿主-共生体组合而异。未来需结合功能基因组学和进化多组学解析表观遗传机制在共生建立与维持中的驱动作用。

　　在自然界中，共生现象极为普遍，是推动生物进化的重要力量之一。昆虫与细菌之间的共生关系尤其引人关注，这种关系通常发生在细胞内部，即所谓的内共生。这种共生关系不仅影响昆虫的生理功能，还可能对其免疫反应和体内平衡产生深远的影响。近年来，研究发现，内共生的建立、维持以及调控过程与表观遗传机制密切相关，尤其是非编码RNA（ncRNA）在其中扮演了重要角色。表观遗传学是指在不改变DNA序列的前提下，通过一系列机制调控基因表达，例如DNA甲基化、染色质重塑因子以及非编码RNA等。这些机制被广泛认为是细胞内多种过程的关键调控者，包括发育、分化、免疫反应和代谢等。本文将以经典的沃尔巴克氏体（*Wolbachia*）与埃及伊蚊（*Aedes aegypti*）共生系统为参考，探讨表观遗传机制如何影响宿主基因表达、共生菌的维持以及抗病毒防御。

共生是一种不同生物体之间的密切联系，这种现象在自然界中非常普遍，并且是进化创新的重要驱动力。在昆虫中，许多物种都与内共生细菌（即生活在细胞内的共生菌）有着紧密的互动，这种互动往往需要精细的分子对话，以重新编程宿主的生理状态并塑造共生的调控机制。表观遗传调控机制，包括DNA甲基化、染色质结构的变化以及非编码RNA的作用，正在被越来越多地研究，以揭示它们在宿主与共生菌之间的相互作用中的作用。非编码RNA作为一类不编码蛋白质的RNA分子，其调控功能在近年来引起了广泛关注。它们能够通过多种方式影响基因表达，例如通过与目标mRNA结合，抑制其翻译或促进其降解，甚至参与调控宿主细胞的染色质结构。这些发现为理解共生关系中复杂的分子交流提供了新的视角。

在昆虫与细菌共生系统中，表观遗传机制可能发挥着协调宿主与共生菌之间关系的关键作用。例如，*Wolbachia*感染能够诱导宿主中某些miRNA（微小RNA）的表达变化，这些miRNA不仅影响宿主基因的表达，还可能对共生菌的维持起到重要作用。研究表明，*Wolbachia*诱导的miR-2940能够稳定一些对共生菌维持有利的宿主基因，如金属蛋白酶FtsH和精氨酸甲基转移酶ArgM3。同时，该miRNA还能抑制宿主中的DNA甲基转移酶Dnmt2，从而促进共生菌的长期存在。此外，*Wolbachia*诱导的miR-12则被发现能够下调一些宿主基因，如MCM6（DNA复制许可因子）和MCT1（单羧酸转运蛋白），这些基因的表达变化可能与共生菌的繁殖调控有关。尽管这些基因的具体功能尚未完全明确，但通过抑制miR-12，可以显著减少共生菌的负载，说明miRNA在宿主与共生菌之间的调控中具有重要作用。

值得注意的是，*Wolbachia*对宿主miRNA的影响因宿主与共生菌的组合而异。例如，在埃及伊蚊中，较温和的*Wolbachia*感染，如*w*AlbB，通常只会引起有限的miRNA变化，而更具侵袭性的*Wolbachia*株，如*w*MelPop，则会引发更显著的miRNA表达改变。此外，*D. melanogaster*（黑腹果蝇）中天然携带的*w*Mel株对埃及伊蚊的miRNA表达几乎没有影响，这表明宿主与共生菌之间的相互作用具有高度的特异性。这种特异性可能源于宿主基因组与共生菌基因组之间复杂的分子对话，以及不同共生菌对宿主生理状态的不同影响。

除了miRNA，长非编码RNA（lncRNA）也在宿主与共生菌的相互作用中发挥了重要作用。在埃及伊蚊的Aag2细胞中，*w*AlbB感染导致了3,035个lncRNA的表达变化。其中，某些lncRNA被发现能够调控宿主的抗氧化系统，例如aae-lnc-7598的沉默会降低宿主中催化酶CAT1B的表达，从而增加活性氧（ROS）的产生。ROS的积累可能对宿主细胞造成损伤，而Toll信号通路则通过上调抗微生物肽（AMPs）如cecropins和defensins，帮助宿主对抗由共生菌引起的氧化应激。此外，*w*AlbB还能够抑制另一个lncRNA，即aae-lnc-2268，该lncRNA通常会抑制宿主miRNA aae-miR-34-3p的表达。当*Wolbachia*上调该miRNA时，可以增强MyD88-Toll信号通路的活性，从而抑制登革热病毒（DENV）的复制。这一发现表明，lncRNA在宿主与共生菌之间的调控中可能起到了桥梁作用，既能够影响宿主的免疫反应，又能够参与抗病毒防御机制。

此外，*Wolbachia*本身也能够产生一些小RNA，这些RNA可能在宿主与共生菌之间的跨界调控中发挥作用。与真核生物的小RNA（如miRNA）不同，细菌产生的小RNA通常具有较长的长度（约50-300个核苷酸），并通过与目标mRNA的配对或调节蛋白活性来调控基因表达。例如，在*Wolbachia*感染的埃及伊蚊Aag2细胞中，研究人员发现了两个*Wolbachia*来源的小RNA——WsnRNA-46和WsnRNA-49。这些小RNA不仅在埃及伊蚊中被检测到，也在天然感染*Wolbachia*的黑腹果蝇和果蝇模拟种（*Drosophila simulans*）中被发现。尽管这些小RNA可能对细菌自身基因的表达起到调控作用，但它们对宿主基因的影响仍需进一步研究。

除了miRNA和lncRNA，RNA甲基化也是宿主与共生菌之间相互作用的一个重要调控层。N6-甲基腺苷（m6A）和5-甲基胞嘧啶（m5C）是真核生物mRNA中最常见的修饰标记，它们能够独立或协同作用，调控RNA的稳定性、翻译效率和加工过程。研究表明，*Wolbachia*能够影响这两种修饰标记的沉积，从而影响宿主的共生菌维持和病毒感染。例如，*Wolbachia*诱导的miR-2940能够抑制宿主中的Dnmt2，这是一种RNA胞嘧啶甲基转移酶。当Dnmt2被过表达时，*Wolbachia*的密度会下降，而病毒的复制则会增强。这表明，*Wolbachia*通过抑制Dnmt2，既促进了自身的持续存在，又限制了病毒的扩散。类似地，当埃及伊蚊被*w*AlbB感染时，其细胞中的Sindbis病毒（SINV）RNA表现出m5C水平的降低，这种降低显著影响了病毒的感染能力。这一现象在昆虫和哺乳动物细胞中均被观察到，表明*Wolbachia*可能通过干扰病毒RNA的甲基化来削弱其感染能力。

然而，这种跨界的调控并不是普遍适用的。在黑腹果蝇中，*Wolbachia*感染会导致Dnmt2的表达显著上升，而这一过程对病毒的抑制作用在缺乏Dnmt2的情况下被消除。这说明，Dnmt2在不同宿主-共生菌系统中的功能可能存在差异，其作用方向和强度依赖于具体的共生环境。此外，在*w*AlbB感染的埃及伊蚊Aag2细胞中，研究人员还发现m6A修饰机制的全局上调。通过纳米孔直接RNA测序，进一步验证了这种修饰的广泛变化。功能研究显示，这些m6A修饰主要影响宿主与病毒之间的相互作用，而对共生菌的密度没有明显影响。在病毒感染的细胞中，敲除m6A修饰酶或其读取蛋白AeYTHDF3，能够显著降低DENV的基因组RNA水平和病毒滴度，表明m6A修饰在抗病毒防御中可能具有关键作用。

在自然共生系统中，除了*Wolbachia*，其他昆虫与细菌的共生关系也显示出类似的表观遗传调控策略。例如，在蚜虫的细菌细胞（bacteriocytes）中，miRNA的表达与共生菌相关的代谢通路密切相关。其中，蚜虫特异性的miR-3024能够抑制MRP4蛋白的表达，而MRP4负责将由共生菌*Seratia symbiotica*产生的维生素B6转移到宿主细胞中。当miR-3024被补充时，维生素B6的吸收会受到抑制，导致宿主死亡，这表明miRNA在调控宿主与共生菌之间的营养交换中可能起到关键作用。在白粉虱（*Bemisia tabaci*）的共生菌体（bacteriomes）中，miRNA novel-m0780-5p的表达上调，其靶基因是宿主从共生菌*Portiera aleyrodidarum*水平转移的panBC基因簇，该基因簇与宿主和共生菌共同参与泛酸（维生素B5）的合成。通过使用agomirs和antagomirs等工具，研究人员发现该miRNA的高表达会降低其靶基因的表达，从而减少共生菌的负载。

在某些共生系统中，表观遗传修饰还可能与宿主的生殖调控相关。例如，在白粉虱中，去除*Hamiltonella defensa*这一与叶酸合成相关的共生菌后，宿主细胞中某些线粒体基因（如mitofusin 2）的H3K9me3修饰水平显著上升。H3K9me3是一种抑制性的组蛋白修饰，其水平的增加可能导致线粒体基因的表达受到抑制，从而影响宿主的生殖比例。当缺乏叶酸时，雌雄比例会显著下降，但通过补充叶酸，这种比例可以得到恢复，说明共生菌提供的代谢产物可能通过表观遗传修饰影响宿主的生殖调控。

在其他昆虫-细菌共生系统中，也发现了类似的表观遗传调控现象。例如，在牛虻（tsetse flies）中，营养共生菌*Wigglesworthia glossinidia*被发现存在于特定的细菌细胞（bacteriocytes）中，这些细胞形成了一个专门的器官——细菌体（bacteriome）。研究人员通过使用抗miR-31的miRNA抑制剂，发现该miRNA的干扰会导致细菌体大小的变化，这表明miRNA在调控共生菌与宿主之间的相互作用中可能起到了重要作用。

从进化角度来看，表观遗传调控在共生关系的建立和维持中可能具有深远的影响。表观遗传标记是否只是共生关系的副产品，还是作为其建立的驱动力，仍然是一个开放性问题。在许多共生系统中，宿主和共生菌之间的相互作用可能涉及复杂的表观遗传调控网络，这些网络可能在不同物种之间存在差异。因此，理解表观遗传调控在共生中的作用，不仅需要对特定共生系统的深入研究，还需要从更广泛的生态和进化角度进行分析。

未来的研究方向应包括对表观遗传调控与共生关系之间因果关系的进一步验证。由于许多共生系统具有高度的依赖性和脆弱性，实验操作上的挑战仍然存在。然而，随着技术的进步，如CRISPR-based表观基因组编辑、合成共生系统以及使用小RNA调控工具（如agomirs和antagomirs），科学家们有望更精确地解析这些调控机制。此外，从进化角度来看，表观遗传调控的可塑性可能在共生关系的建立和维持中起到关键作用。例如，某些表观遗传标记是否可以作为共生关系的遗传印记，是否能够在宿主后代中垂直传递，这些问题的答案将有助于我们更全面地理解共生关系的形成与演化。

综上所述，表观遗传调控在昆虫与细菌的共生关系中扮演着关键角色。这些调控机制不仅影响宿主的基因表达，还可能通过多种方式调控共生菌的维持和宿主的免疫反应。尽管目前的研究主要集中在少数模型系统上，但这些发现为理解更广泛的共生关系提供了重要的理论基础。未来的研究需要进一步整合表观遗传学、基因组学和生态学的方法，以揭示这些调控机制在不同共生系统中的具体作用，并探索它们如何在进化过程中塑造宿主与共生菌之间的互动。只有通过更深入的实验和理论分析，我们才能更好地理解共生关系的复杂性，并为相关领域的应用提供科学依据。