Science | “得与失”——抗寄生虫免疫反应进化中如何平衡收益和损伤

2022-12-03 15:04:21, 雪月

撰文 | 雪月

责编 | 酶美

寄生虫可以增加宿主的进化选择的压力，推动免疫进化。然而有时这种选择演变并不能总是朝着增强抵抗力的方向。基于抗性的免疫反应可能会产生不良的后果，这种免疫反应会通过消耗有限资源或者诱导自身免疫病来降低宿主的适应性，从而影响宿主的生存和繁殖。进化优化理论表明进化增加的寄生虫抵抗力必须与免疫反应成本想平衡。只有这样进化才能朝着抵抗力和免疫反应的最优方向发展。种群可能会进化获得耐受，允许感染持续存在，同时降低感染死亡率和繁殖成本。耐受本身成本昂贵，要么损耗能量进行修复损伤，要么允许感染。免疫成本的种内变化很少以模式进化的方式进行研究，并且很少有耐受或者抵抗的模型。

来自德州大学奥斯汀分校的Daniel I. Bolnick 团队在Science上发表题为Evolutionary gain and loss of a pathological immune response to parasitism 的文章。该研究以两个湖泊里的棘鱼为模型，探究了在绦虫感染中平衡收益和损伤对进化出免疫耐受和抵抗种群的影响。

三刺鱼Gasterosteus aculeatus的海洋种群较少会遇到淡水绦虫，因此并没有进化出抗性。后来海洋三刺鱼在淡水中建立种群，从而进化出抵抗力。但是感染率也因湖泊而异，有时即使是相似的湖泊，流行率也不同。作者指出罗伯茨湖和高林斯湖（简称R和G）的棘鱼感染率分化为0和大于50%，二者位置相距较近。作者为此作出假设感染流行率的差异反映了R棘鱼进化出抗性，而G棘鱼进化出耐受性。作者将来自R和G的棘鱼杂交，并暴露于裂头绦虫。分析发现R占比较大的杂交棘鱼的感染率较低。当绦虫达到50毫克时，鸟类就会来捕鱼，鸟类是绦虫的终端宿主。R回交所得棘鱼中的绦虫生长被抑制，达不到这个阈值，保护鱼类免受捕食。

对比发现R棘鱼在感染后粒细胞产生更多的ROS，并表现出严重腹膜纤维化。在脊椎动物中寄生虫会造成组织损伤，导致炎症、成纤维细胞增殖、胶原沉积，内脏粘连。在杂交棘鱼绦虫暴露后，作者分析发现纤维化程度与R血统呈正相关。无论感染程度如何，G棘鱼和G回交棘鱼都很少发生纤维化。而生活在海里的棘鱼以及实验室感染后也都缺乏纤维化，这表明棘鱼在在淡水定植中纤维化获得了反复进化。纤维化与生长抑制、消除绦虫有关。纤维化是一种持续病变，在免疫反应出现后仍可以长时间存在。R棘鱼可以促进ROS产生和纤维化，两种反应都能抑制绦虫生长，杂交棘鱼F2中绦虫体积比非纤维化的棘鱼感染绦虫体积小87.7%。

但是ROS和纤维化的产生也需要棘鱼付出代价。分析发现绦虫感染破坏了雌性生殖能力，具有纤维化的雄性棘鱼筑巢能力下降。作者想探究在进化过程中如何平衡受益与损伤，作者将定量性状基因座（quantitative trait locus QTL）图谱、群体基因组学和转录组学相结合分析。作者对647条实验室杂交F2棘鱼、G棘鱼和R棘鱼进行了234个信息标记进行基因分型，揭示了7个重要的QTL，解释了绦虫、纤维化、肉芽肿和ROS变化。例如在Chr15上ROS QTL中，R等位基因赋予更高的ROS，但是Chr11上的QTL，R等位基因会减少ROS。再分析混合种群的全基因组测序，作者鉴定出了几个基因座在G棘鱼中经历正选择，其他基因座在抗性R棘鱼中进化。在纤维化QTL内，最强的选择目标包括基因SPL1b，产生转录因子PU.1，可调节成纤维细胞极化和组织纤维化。三个促纤维化基因SPL1 STAT6 Cyp3a48在G棘鱼进化选择中缺失，但是在R没有检测到有缺失。R棘鱼也会围绕促纤维化TMEM39A和抗纤维化hnf4a的进化选择。二者在两个湖的棘鱼中以相反的方向进行选择。

本研究表明，在反复选择进化中，不同种群对绦虫抵抗力和纤维化程度不同，导致寄生虫流行率差异。这些差异与理论模型一致，宿主-寄生虫共同进化，替代稳定状态，进化出付出不同代价的抗性和耐受性群体。这一研究也对了解寄生虫流行病学中平衡收益与损伤对于进化的影响提供了模型。

原文链接：

http://doi.org/10.1126/science.abo3411

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