细胞内共生菌Wolbachia研究进展

细胞内共生菌Wolbachia研究进展周丹，朱颖，李朋玲，高琼，朱昌亮*基金项目：美国国立卫生研究院(NIH)基金(1R01AI075746-01A1)；国家自然科学基金(30972564)作者单位：210029南京，江苏省现代病原重点实验室，南京医科大学病原生物学系*通讯作者：朱昌亮，Email:[e-mail]【摘要】Wolbachia是一类广泛共生于节肢动物和丝虫体内的立克次体，能够通过多种机制调控节肢动物的生殖行为，并在丝虫发育，生殖和致病过程中发挥重要作用。近年来研究显示Wolbachia在水平基因转移，抗病毒作用，物种进化等方面亦具有重要价值。本文对Wolbachia的近年研究成果进行了综述，重点介绍了其生物学特征、传播方式、对共生宿主的影响作用及其意义，初步探讨了其在媒介生物防治与相关疾病控制中的潜在价值。【关键词】Wolbachia，共生，生殖调控，生物防治ReserchprogressonintracellularbacteriaofthegenusWolbachiaZHOUDan,ZHUYing,LIPeng-ling,GAOQiong,ZHUChang-liang*.DepartmentofPathogenBiology,JiangsuProvincialKeyLaboratoryofModernPathogenBiology,NanjingMedicalUniversity,Nanjing210029,China*Correspondingauthor:ZHUChang-liang,Email:[e-mail]titutesofHealthofUSA(1R01AI075746-01A1);NationalNaturalScienceFoundationofChina(30972564)【Abstract】IntracellularrickettsialbacteriaofthegenusWolbachiaarefoundinnumerousinvertebratesincludinginsectsandnematodes.Intheirinsecthosts,Wolbachiaoftenmanipulatethereproductivemodeoftheirhosts,causingcytoplasmicincompatibility(CI),parthenogenesisinduction(PI),feminizationofgenetic,ormalekilling(MK).Manystudieshavedeterminedfilarialpathogenesiswerereliantonthisendosymbiontforembryogenesis,growth,andsurvival.AdditionalresearcheshavealsofocusedondeterminingtheroleofWolbachiainhorizontalgenetransfer,antiviralresponses,potentialapplicationsinpestanddiseasevectorcontrol,speciationandsoon.ThisreviewshowsthatsignificantadvanceshavebeenmadeinthestudyofWolbachia.Futureresearchdirectionsofthisinterestingintracellularrickettsialbacteriaarealsodiscussed.【Keywords】Wolbachia,symbiosis,reproductivemanipulation,biologicalcontrolWolbachia是一类广泛存在于丝虫和节肢动物体内，由胞质遗传的共生立克次体（Rickettsia）。Hertig和Wolbach首次在尖音库蚊（Culexpipiens）的生殖细胞中发现该共生菌，定名为Wolbachiapipientis[1]。在分类学上，Wolbachia属于细菌门，变形菌纲（Proteobacteria）的α亚纲,立克次体目（Rickettsiales），立克次体科（Rickettsiaceae），沃尔巴克氏体族（TribeWolbachia），沃尔巴克氏体属（GenusWolbachia）。在节肢动物中的研究表明，Wolbachia对宿主的影响主要表现在对其生殖行为的调控，可以诱导宿主产生细胞质不亲和（cytoplasmincompatibility,CI），孤雌生殖（parthenogenesisinducing,PI），雌性化（feminization）和杀雄作用（malekilling）等现象[2]。因此可望利用Wolbachia作为生殖调控工具，在媒介昆虫中传播人为改变的负性遗传特征，从而达到媒介生物防治的目的。此外研究提示，Wolbachia对丝虫类宿主的胚胎形成，发育和致病性有促进作用，其可望成为化疗的重要靶点，为丝虫病的治疗带来新策略[3-4]。利用Wolbachia为模型研究原核生物与真核生物之间的水平基因转移(horizontalgenetransfer,HGT)，对生物进化具有重要的参考价值[5]。同时，Wolbachia还可以作为潜在的外源基因表达载体，应用于遗传工程领域。本文综述了Wolbachia生物学特性、传播方式及其与宿主相互作用机制等方面的近期研究进展。1Wolbachia的生物学特征Wolbachia的基因组很小，只有1.08-1.7Mb。目前针对16SrRNA,ftsZ以及wsp基因进行序列分析是Wolbachia系统发育分类的主要方法。然而16SrRNA和ftsZ基因的进化速度太慢,不能提供足够的信息来阐明不同表型Wolbachia株之间的关系[6]。wsp基因（编码Wolbachia主要表面蛋白），是在所有已知Wolbachia基因中进化最快的，目前被认为最适用于Wolbachia系统发育分析[7]。依据wsp基因序列对Wolbachia株进行PCR分类检测和分析，Wolbachia主要分为8个超群(A-H)[8]。进一步研究表明，Wolbachia的宿主种类非常广泛，而不同超群Wolbachia对于宿主的选择具有较强的限制性。A超群和B超群只共生于节肢动物，其中A超群中有Mel、AlbA、Mors、Riv、Uni、Haw、Pap和Aus8个亚群，B超群中有Con、Dei、Pip和CauB4个亚群。C超群和D超群只共生于丝虫。E超群的共生宿主较局限，目前发现的宿主仅为弹尾目昆虫（Collembola）。于2002年定义的F超群打破了以上限制，在节肢动物和丝虫中均有发现[9]。从澳大利亚蜘蛛中分离得到的Wolbachia属于G超群，但对此分化枝学术界仍有争议[10]。H超群最初被认为仅感染白蚁，随后证实也可感染丝虫。近年来，在更多的物种中发现了Wolbachia的存在，如近期命名的I，J和K超群，其共生宿主分别为蚤，细薄双瓣线虫（Dipetalonemagracile）和叶螨（spidermite）[11]。研究表明，Wolbachia的感染量及其在宿主体内的分布存在一定规律性。对单一宿主而言，感染Wolbachia的数量受到环境温度、宿主年龄、营养状况等多种因素的影响。如在果蝇中，Wolbachia感染量和宿主的年龄成负相关，而与宿主的营养状态无关[12]；但在体外维持培养时额外加入胎牛血清（FBS）可增高其密度，可能由于Wolbachia的能量主要来源于氨基酸代谢[13]。在节肢动物体内，Wolbachia可共生于绝大多数器官，但主要分布于卵巢和睾丸；而在成年丝虫体内，Wolbachia仅分布于侧索的真皮细胞和雌性生殖细胞内。2Wolbachia的传播方式Wolbachia以垂直传播(verticaltransmission)作为其在宿主世代间传递的基本模式。雌性宿主整个成年期中，Wolbachia稳定地存活于其生殖细胞内，从而高效地通过卵细胞传递给宿主后代；而在雄性宿主中，Wolbachia仅存在于精原细胞及未成熟的精子细胞中，在成熟精子中则不能检出。研究表明，Wolbachia通过父系遗传的几率仅为2%左右[14]。Wolbachia在不同个体甚至不同种属间还存在着水平传播（horizontaltransmission）[15]。由于Wolbachia无法离开宿主细胞而单独存活，一般认为水平传播仅在传播宿主和感染宿主近距离接触时发生，如通过血液等方式传播。水平传播的自然存在，可能是Wolbachia突破对宿主选择的限制性的重要原因之一。除了上述自然传播的方式外，在实验室条件下可人为地实现Wolbachia在不同宿主间的传递。McMeniman等通过显微注射的方法将共生于果蝇体内的Wolbachia（wMelPop亚群）成功感染了白纹伊蚊。研究发现，wMelPop亚群不仅能稳定地存在于白纹伊蚊品系，还保持了其在果蝇体内能够降低宿主生命历期的特性[16]。这一技术不仅对进一步分析Wolbachia种系与宿主进化的关系具有重要的价值，还可望人为改变媒介昆虫的遗传特性，如利用该技术处理在自然状态下不感染Wolbachia的埃及伊蚊（登革热传播媒介）或按蚊（疟疾传播媒介）[17]，可以产生对其种群传播负面的遗传特性，从而达到生物防治蚊媒的目的。3Wolbachia对宿主的影响3.1调控宿主生殖行为Wolbachia对宿主的生殖调控主要体现在细胞质不亲和，孤雌生殖，雄性雌性化和杀雄4个方面，有利于其自身的生存和传播，而对宿主的繁衍存在负面的影响[18]。细胞质不亲和细胞质不亲和是指当被感染雄蚊与未感染雌蚊（单向不亲和）或感染不同品系Wolbachia的雌雄蚊（双向不亲和）交配时，精子和卵子结合后胚胎无法顺利发育。其是Wolbachia感染引起的宿主生殖行为改变中最常见的一种类型。目前认为Wolbachia对精子产生的“mod”（改变）作用是导致胚胎早期死亡的原因。但当雄蚊和雌蚊感染同一品系的Wolbachia时，卵细胞就能产生“resc”（获救）作用，使胚胎恢复正常功能并顺利发育[19]。根据染色体的缺陷程度，细胞质不亲和导致的胚胎死亡可分为以下2种表型：（1）非整倍体胚胎，其染色体包含了完整的母系染色体和部分的父系染色体；（2）单倍体胚胎，其染色体完全来源于母系的遗传物质[20-21]。目前Wolbachia感染导致宿主细胞质不亲和的分子基础以及具体作用机制仍不清楚。随着研究的深入，一些细胞质不亲和机理模型相继被提出[22]。根据胚胎死亡的主要原因可将这些模型归纳为2种类型：（1）父系和母系共同因素（“Mistiming”模型）；（2）单纯的父系因素（“Lockandkey”和“Titration-restitution”模型）。“Mistiming”模型认为，Wolbachia可特异性地影响宿主细胞的生长周期，抑制Cdk1激活，延迟有丝分裂的进程，造成父系和母系核的细胞周期不同步继而引起胚胎死亡。“Lockandkey”模型认为，Wolbachia产生被形象地描述为“lock”的一类特殊蛋白结合到父系生殖细胞核上，阻止了第一次有丝分裂的正常进行。只有被同种Wolbachia感染的卵子才能移除掉“lock”，继而恢复胚胎核的继续发育。“Titration-restitution”模型认为，Wolbachia去除父系生殖细胞核上的一些必须蛋白，只有感染同样Wolbachia的卵子才能恢复这些蛋白。孤雌生殖孤雌生殖指卵细胞未经受精而独立发育成胚胎。孤雌生殖可分为产雄孤雌生殖（arrheotoky,AY）和产雌孤雌生殖（thelytoky,TY）。Wolbachia诱导的主要类型是产雌孤雌生殖，产雄孤雌生殖仅在螨（mites），膜翅目昆虫（hymen