《Frontiers in Immunology》：Insect immune systems: same same but different but still same
编辑推荐：
昆虫是自然界中最多样化的动物类群，几乎占据每一个生态位，并在传粉、害虫和疾病媒介中发挥核心作用。尽管存在如此巨大的多样性，昆虫仍依赖一组保守但进化上可适应的免疫通路来防御病原体。早期关于昆虫免疫的研究为人类免疫学奠定了基础，而近年来基因组和转基因技术的进展重新
昆虫是自然界中最多样化的动物类群，几乎占据每一个生态位，并在传粉、害虫和疾病媒介中发挥核心作用。尽管存在如此巨大的多样性，昆虫仍依赖一组保守但进化上可适应的免疫通路来防御病原体。早期关于昆虫免疫的研究为人类免疫学奠定了基础，而近年来基因组和转基因技术的进展重新激发了研究人员对理解免疫应答如何在不同昆虫目中变化的研究兴趣。昆虫的免疫系统高度多样化；每个物种都具有独特的免疫应答，以帮助抵抗特定病原体的感染。然而，它们在识别、调控和效应机制方面共享多个方面。本综述聚焦于主要昆虫谱系免疫系统的当前知识，以强调共享的信号通路、免疫细胞和体液因子，以及反映塑造宿主-微生物互作的不同生态压力的谱系特异性应答。比较不同的昆虫物种和目不仅提供了对免疫系统特征进化趋异和趋同的见解，还提供了同一目内物种间的互补知识，有助于填补现有空白。理解这些进化模式不仅加深了研究人员对昆虫免疫的理解，还为开发转基因策略以阻断关键媒介物种中病原体传播提供了信息。
**1 Introduction**
昆虫作为自然界最多样化的动物类群，占据几乎全部生态位，在传粉、农业害虫和疾病媒介中发挥核心作用。尽管存在惊人多样性，昆虫依赖一组保守但进化可塑的免疫通路（如Toll、免疫缺陷（IMD）、JAK/STAT和RNA干扰（RNAi））抵御病原体。早期昆虫免疫研究为人类免疫学奠定了基础，近年基因组和转基因技术进展重新激发了对免疫应答跨目差异的探索。昆虫免疫系统高度多样化，各物种具有针对特定病原体的独特应答，但共享识别、调控和效应机制。本综述概述主要昆虫谱系的免疫系统，强调共享信号通路、免疫细胞和体液因子，以及反映生态压力塑造的谱系特异性宿主-微生物互作。比较不同物种和目不仅揭示免疫系统特征的进化趋异与趋同，还提供同目内物种间的互补知识，填补现有空白。理解这些进化模式可深化对昆虫免疫的认识，并指导开发转基因策略以阻断关键媒介物种的病原体传播。
**2 JAK/STAT pathway**
JAK/STAT（Janus激酶/信号转导及转录激活因子）通路是生物体中最保守的信号通路之一，最初在果蝇（Diptera）中描述为发育调节因子，后被发现参与抗病毒免疫。核心组分包括配体Unpaired（Upd1-3）、受体Domeless（Dome）、激酶Hopscotch（Hop）和转录因子STAT92E，辅以细胞因子信号抑制因子（SOCS）和活化STAT蛋白抑制因子（PIAS）。配体结合Dome后激活Hop，磷酸化受体并招募STAT二聚体，磷酸化后转入细胞核调控转录。该通路在Diptera、Lepidoptera、Hemiptera、Hymenoptera、Coleoptera和Thysanoptera等目中均有研究，核心组分高度保守，但Upd配体存在变异（如蚊虫仅Upd3，蚜虫缺失Upd）。部分Hemiptera物种缺失核心组分（如Hop或STAT），但通路仍可响应免疫挑战，提示存在非经典调控。基因扩增（如蚜虫有多个Dome拷贝）和缺失现象表明该通路在进化中灵活适应。
**2.1 Beyond its role in immunity, the JAK/STAT pathway also plays important roles in regeneration**
JAK/STAT通路不仅参与免疫，还调控组织再生。例如，在直翅目（Orthoptera）双斑蟋（Gryllus bimaculatus）中，该通路在腿再生中发挥关键作用，其免疫功能尚未明确。在果蝇中，血细胞分泌Upd激活肠道上皮JAK/STAT通路，促进细胞增殖和中肠再生。在美洲大蠊（Dictyoptera: Blattodea）中，Upd基因沉默阻碍腿再生；在鳞翅目（Lepidoptera）水稻二化螟（Chilo suppressalis）和草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）中，该通路对肠上皮再生至关重要。总体而言，JAK/STAT通路的核心组分在进化中高度保守，配体部分变异较大，其缺失从未在昆虫中被报道，可能因其在发育、再生和组织稳态中的关键作用。
**3 Toll pathway**
Toll通路最初在果蝇中建立为胚胎背腹极性发育通路，后被发现控制抗真菌免疫。经典组分包括Sp?tzle（Spz）、Toll、MyD88、Tube、Pelle、Cactus和Dif/Dorsal。病原相关分子模式（PAMPs）被模式识别受体（PRRs）识别，激活蛋白酶切割pro-Spz为活性Spz，与Toll结合后招募MyD88和Tube，激活Pelle磷酸化Cactus，释放Dif/Dorsal入核调控免疫基因表达。在双翅目（Diptera）中，胞内组分（MyD88、Tube、Pelle、Pellino）高度保守，但Toll受体拷贝数差异显著，表明上游受体架构在进化中重塑。功能验证表明该通路在蚊虫中抗登革病毒和疟原虫，在沙蝇中受利什曼原虫抑制。在半翅目（Hemiptera）中，通路保守但灵活，如蚜虫保留完整核心，但部分粉蚧缺失MyD88和Cactus，提示修饰。在膜翅目（Hymenoptera）、鞘翅目（Coleoptera）和鳞翅目（Lepidoptera）中，通路功能验证支持其抗微生物免疫。其他目如直翅目、蜻蜓目（Odonata）、竹节虫目（Phasmida）、蜚蠊目（Blattodea）、等翅目（Isoptera）、蜉蝣目（Ephemeroptera）、虱目（Phthiraptera）、缨翅目（Thysanoptera）和蚤目（Siphonaptera）存在基因组或转录组证据支持Toll通路保守，但功能验证有限。总体而言，Toll通路在昆虫进化中深度保守，胞内核心组件受强进化约束，上游受体和配体则显示灵活性。
**4 IMD pathway**
免疫缺陷（IMD）通路调控转录因子Relish，控制大多数抗菌肽（AMP）表达，包括cecropin、diptericin等。激活始于二氨基庚二酸（DAP）型肽聚糖被PGRPs识别，通过IMD、FADD、DREDD、TAK1和IKK复合物级联，最终磷酸化Relish并使其入核。该通路在双翅目、鞘翅目、膜翅目、鳞翅目和蚤目中功能验证充分，保守且功能活跃。例如，果蝇中IMD是抗菌免疫主要调节因子；蚊虫中参与抗微生物、抗寄生虫和微生物组稳态；鞘翅目赤拟谷盗（Tribolium castaneum）中调控AMP表达；膜翅目西方蜜蜂（Apis mellifera）中核心组分存在且可诱导；鳞翅目家蚕（Bombyx mori）中通路存在但与其他通路存在串扰。部分目如半翅目和虱目显示IMD通路部分缺失或减少。蚜虫因与共生菌Buchnera关联，丢失关键组分，推测因营养贫乏的植物汁液食物减少微生物暴露。软蚧（Hemiptera: Coccidae）也缺失核心组分，是否与共生菌有关尚不明确。然而，某些半翅目（如茶翅蝽Plautia stali）存在功能保守但序列高度分异的IMD基因，表明之前因序列差异而遗漏。虱目（Phthiraptera）和缨翅目（Thysanoptera）基因组支持IMD通路不完整。在蜻蜓目、直翅目和竹节虫目中，核心基因已鉴定但功能未测试。蜚蠊目（Blattodea）中，德国小蠊（Blattella germanica）保留几乎所有IMD组分，仅IKK相关基因缺失；等翅目（白蚁）中免疫基因多样性降低，可能与社会性群体防御有关。螳螂目（Mantodea）虽基因组可用，但IMD基因未被注释，因其独居捕食生活方式可能减少微生物暴露，预期通路可能简化。进化上，IMD通路古老保守，但不同类群中基因丢失、重复或修饰，非经典激活或与其他通路交互，这些差异与生态因素（微生物暴露、饮食、微生物组、生活方式和社会组织程度）相关。
**5 RNA interference pathways in insects**
RNA干扰（RNAi）最初被鉴定为序列特异性基因沉默机制，现被广泛认为是昆虫主要抗病毒防御系统之一。包括小干扰RNA（siRNA）通路、微RNA（miRNA）通路和PIWI互作RNA（piRNA）通路，其中siRNA通路是主要抗病毒机制。miRNA通路通过调控病毒感染期间基因表达间接参与抗病毒，piRNA通路主要控制转座子，部分蚊虫中也有抗病毒作用。
**5.1 The siRNA pathway: core antiviral mechanism**
siRNA通路始于双链RNA（dsRNA）被Dicer-2（Dcr2）识别并切割为siRNA，随后加载到RNA诱导沉默复合体（RISC），其中Argonaute-2（Ago2）通过序列匹配切割病毒RNA。Dcr2还作为病毒传感器，在蚊虫中可激活额外抗病毒分子。Dcr2、Ago2和dsRNA结合蛋白R2D2常被列为抗病毒RNAi核心组分，但R2D2并非在所有昆虫谱系中存在，可能源自有翅昆虫（Pterygota）的进化创新。
**5.2 Role of R2D2 in antiviral RNAi**
R2D2稳定siRNA并加载至Ago2，但比较研究显示其并非普遍存在。在R2D2缺失或减少的物种中，另一种dsRNA结合蛋白Loquacious（Loqs）可能支持类似功能，表明RNAi通路不依赖单一固定蛋白组合，而是通过不同蛋白维持功能。
**5.2.1 Functional role of loquacious**
Loqs参与多种RNA加工过程，可结合RNA并引导其通过不同处理步骤，在R2D2缺失时可能替代其功能，确保RNAi整体保守。不同昆虫类群使用略有差异的蛋白完成相同任务，这解释了RNAi在进化中持续功能的原因。
**5.2.2 The piRNA pathway**
piRNA通路使用PIWI蛋白和“乒乓”循环自扩增机制，主要控制转座子。蚊虫研究表明piRNA通路也可能具有抗病毒作用，提示昆虫可能同时使用多种RNAi机制控制感染。
**5.3 RNAi pathways across insect orders**
核心RNAi机制保守，但效率因类群而异。双翅目（Diptera）中RNAi是抗病毒主要系统，Dcr2和Ago2保守，但R2D2缺失致死，且因SID-1蛋白丢失导致RNAi信号细胞间扩散能力有限。半翅目（Hemiptera）通常保留SID-1，RNAi信号可有效扩散，但效率仍受降解和摄取影响。鞘翅目（Coleoptera）表现出强且一致的RNAi反应，dsRNA高效摄取、处理和系统性扩散，是RNAi应用的理想模型。鳞翅目（Lepidoptera）RNAi效率较低，主要因肠道和血淋巴中dsRNase快速降解dsRNA，以及摄取和扩散受限。膜翅目（Hymenoptera）、直翅目（Orthoptera）、蜚蠊目（Blattodea）和等翅目（Isoptera）中，RNAi主要通过基因组和转录组鉴定，功能研究有限。直翅目昆虫在无SID-1同源物时仍能实现系统性RNAi，提示存在替代机制。
**5.4 Evolutionary patterns**
RNAi在昆虫进化中既保守又适应。核心功能（识别dsRNA并沉默序列）维持，但具体蛋白和过程随时间变化。R2D2出现较晚，SID-1在双翅目中丢失，但昆虫仍能识别和沉默外源RNA，表明不同类群使用略有差异的蛋白和机制实现相同功能。RNAi受各谱系进化史塑造，但功能验证主要限于少数模式物种。
**5.4.1 Viral suppressors of RNAi**
许多病毒编码RNAi抑制因子（VSRs），干扰dsRNA识别、Dcr2加工或Ago2介导切割，使病毒逃避降解。VSRs的精确性表明RNAi对病毒施加强选择压力，病毒进化出对抗策略，形成进化军备竞赛。
**5.8 Implications for RNAi-based pest control**
RNAi通路在所有昆虫目中功能存在，但效率差异显著。基于RNAi的害虫控制策略的成功取决于特定物种摄取、处理dsRNA和沉默靶基因的能力。鞘翅目因高效RNAi而成为理想靶标，而鳞翅目因dsRNA快速降解而效率较低。
**6 Concluding remarks: could omics datasets help fill knowledge gaps in immunity across some insect orders?**
尽管JAK/STAT、Toll、IMD和RNAi通路在若干目中被完全描述和功能验证，但在许多目中仍研究不足。现有基因组和转录组资源（如Archaeognatha、Zygentoma、Plecoptera等）提供了初步见解，但核心通路组分尚未明确报道或功能鉴定。例如，早期分支昆虫（Archaeognatha和Zygentoma）中发现了多样且谱系特异的抗菌肽，但上游信号通路未表征。蜉蝣目（Ephemeroptera）若虫阶段免疫相关基因高表达。在蛩蠊目（Grylloblattodea）和捻翅目（Strepsiptera）中，免疫基因表达数据有限。对于纺足目（Embioptera），寄生蜂压力可能驱动免疫分化，但数据不足。总体而言，先天免疫通路在昆虫中存在且随目和物种变化，共生菌、饮食、栖息地和寄生虫压力是主要驱动力。目前知识主要来自双翅目和鞘翅目模式昆虫。新基因组和转录组数据将揭示谱系特异性免疫适应，已发现某些通路因序列差异而看似缺失，实为注释限制。下一代测序和基因组编辑技术将加速理解，但现有30个昆虫目中27个存在转录组/基因组数据，多数未分析，短时间分析可填补空白。未来研究需结合基因组、转录组和功能验证，以真正理解免疫系统进化，并开发针对特定媒介或害虫的精准策略，最小化对其他物种的影响。
