保幼激素抑制了交配后的雌性黑腹果蝇对感染的抵抗力外文翻译资料

 2022-12-30 11:25:58

保幼激素抑制了交配后的雌性黑腹果蝇对感染的抵抗力

Robin A. Schwenke and Brian P. Lazzaro

摘要

激素信号传导使多细胞动物能够响应内部和外部刺激，进而调节发育、生长、代谢、免疫和繁殖。使用激素作为生理学的中心调节剂，使其成为调节资源分配以竞争生物功能（即hormonal pleiotropy，激素多效性）的主要候选药物。在动物中，生殖投资通常会导致免疫应答减弱，而这种减弱有时与信号传导有关。在果蝇中，黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）交配后雌性获得雄性精液蛋白，后导致雌性对系统性细菌感染的抵抗力下降。在这里，我们评估雌性黑腹果蝇繁殖的免疫抑制作用是否归因于激素信号保幼激素（juvenile hormone，JH），JH能促进卵母细胞的发育以及卵黄蛋白的合成和累积。先前的研究表明JH具有免疫抑制作用，而雄性精液蛋白性肽（Sex Peptide，SP）可以在交配后活化雌性黑腹果蝇的JH生物合成。我们发现SP的转移激活了交配后雌性果蝇JH的合成，进而抑制了通过受体生殖细胞表达（germ cell-expressed，gce）对感染的抵抗力。我们发现，交配后的雌性会更有可能死于感染，也会承受更高的病原体负担，并且诱导产生免疫应答的能力也更低。当JH信号受阻时，所有这些风险都可以被挽救。我们认为，激素信号对于调节免疫系统活性很重要，更重要的是对于生理过程之间的权衡调节。

图形摘要

eTOC简介

Schwenke和Lazzaro确定了雌性黑腹果蝇交配后免疫抑制的激素基础。他们发现，交配过程中性肽（Acp70a）的转移活化了保幼激素（JH）的合成，从而抑制了通过受体生殖细胞表达（Germ Cell Expressed，GCE）对细菌感染的抵抗力。

结果和讨论

在拮抗激素多效性模式下，假设繁殖和免疫是通过分子信号相互连接的，这些分子信号以牺牲免疫来促进繁殖。因此，我们测试了内分泌信号分子JH是否是雌性交配后产生免疫抑制的原因。我们首先测试了合成JH类似物烯虫酯的使用是否会阻碍免疫系统的激活。烯虫酯（10-2g）处理抑制抗菌肽（antimicrobial peptides，AMPs）的诱导，未交配雌蝇在接种加热灭活的革兰氏阴性菌Providencia rettgeri（Tukeyrsquo;s HSD，plt;0.0001）后，呈现出与未处理但交配过雌蝇相似的情况（Tukeyrsquo;s test，p=n.s.；图1A）。烯虫酯处理也显著降低了处女蝇对活性P.rettgeri增殖的抵抗力（丙酮与烯虫酯进行对照；t-test，t37=6.54，plt;0.0001；图1B），以及在感染中的存活率(Log-rank，=13.9，plt;0.0001;图1C)。对已交配雌蝇进行烯虫酯处理也可以促进繁殖，能将其5天内的平均产卵数从75.6plusmn;24.3增加到95.4plusmn;32.4（t-test，t45=2.35，p=0.0230），又符合我们对黑腹果蝇激素调控繁殖的普遍认知。我们得出结论，JH促进繁殖但具有免疫抑制作用，并且用其进行处理可以使得在已交配雌蝇中观察到的免疫抑制作用表型化（图1A）。

之后，我们检测了JH的免疫抑制作用是否源于雄性精液蛋白性肽（SP）的接收。SP促进了交配后的雌性黑腹果蝇产生大量生理变化，这在交配后免疫抑制中起重要作用。我们使用JH酸性甲基转移酶（JH acid methyltransferase，jhamt）的mRNA表达水平作为JH活化的间接指标，JH酸性甲基转移酶编码了JH生物级联合成反应中的关键调节酶。先前已经在黑腹果蝇中建立jhamt表达模式，并作为JH滴度的模板。我们评估了与以下雄性进行交配雌性的jhamt表达水平：野生雄性（SPWT），完全缺乏SP的雄性（SPnull），或缺乏SP N末端且先前已证明可体外促进JH合成的雄性（SPDelta;2-7）。我们发现，与SPWT雄性交配的雌性表现出比与SPnull或SPDelta;2-7雄性交配的雌性显著更高的jhamt表达水平（Tukeyrsquo;s HSD，WT-null，p=0.00977；WT-Delta;2-7，p=0.0158；图2A）。因此，我们得出结论，SP N端的转移和接收是交配后雌性产生JH所必需的。

为了检测所推断的JH诱导是否导致雌性免疫抑制，我们将雌性与几个SP表达变体的雄性基因型交配（图2B）。SP通过精液转移给雌性，通过N末端与精子尾巴结合到达雌性生殖道。结合的SP在胰蛋白酶裂解位点从精子尾部裂解，为雌性提供了持续的C端来源。在胰蛋白酶切割位点（SPQQ）突变的SP雄性在交配期间提供完整的N端，但剥夺了雌性长期接触C端的机会。与SPnull或SPDelta;2-7雄性交配的雌性在交配后表现出处女蝇水平的细菌载量和存活率。但是相比于处女蝇，与SPQQ和SPWT雄性交配的雌性表现出显著更高的细菌载量和较低的存活率（图2C和2D）。因此，SP的免疫抑制作用可能与促进JH合成的N末端有关。

为了进一步证实JH在交配后免疫抑制中的作用，我们测试了阻断JH合成或其与雌性体内的受体结合是否会抑制交配后免疫功能的降低。JH在咽侧体（corpus allatum，CA）中合成。我们使用诱导型启动子在CA中过表达白喉毒素（Diphtheria toxin，DTI）或NIPP1，在蛹晚期部分切除了组织，以避免任何因JH去除引起的早期发育缺陷。我们发现，CA被部分切除的雌性与处女蝇相比，其细菌载量和感染存活率并无差异（图3A-D）。因此，减少CA足以防止交配后的免疫抑制。

因为在我们的实验中CA并未完全切除，所以我们进行了单独的验证实验，以确认观察到的部分切除会导致交配后JH活化水平降低。首先，我们测量了在交配10小时后jhamt和JH的两个下游靶点（mnd和JHI-21）的表达。与对照组相比，两种CA切除基因型的所有三个基因的表达水平均显着降低了50％或更多（t-tests：t4=5.96-15.9，plt;0.01）。这与以前的研究结果相吻合，该研究表明，CA-ablatedNIPP1雌性的JH滴度显著降低。此外，与对照基因型（130.9plusmn;53.0和167.5plusmn;82.5）相比，CA-ablatedDTI和CA-ablatedNIPP1的产卵量（33.3plusmn;29.5和51.6plusmn;35.0）显著减少（Tukeyrsquo;s HSD比较，plt;0.05），也与先前的发现研究结果一致。基于全部数据，我们得出结论，CA-ablated雌性缺乏JH合成，因此表现出繁殖能力的降低和处女蝇水平的对于细菌感染的抵抗力。

最后，我们试图通过JH抑制繁殖活跃雌性的免疫而确定受体。两个最近发现的旁系同源基因被认为在发育过程介导JH信号中起作用。尽管在发育过程中烯虫酯耐受性（Methoprene-tolerant，Met）和生殖细胞表达（germ cell-expressed，gce）是相对多余的，但目前尚不清楚成年雌性交配后的免疫抑制是否需要这两种受体中的一种或两种。我们在成年雌性中普遍表达了针对每个基因的RNAi敲除结构。通过RT-qPCR检测，分别的基因敲除导致gce表达相对于对照基因型减少了62％（t4=6.27，p=0.00330），Met表达相对于对照基因型减少了73.4％（t4=4.21，p=0.0136）。

gce的RNAi敲除显著提高了抗感染能力，消除了交配后的免疫抑制（图4B，D），而Met的敲除对免疫防御没有影响（图4A，C）。特别地，在没有gce的情况下，已交配和未交配的雌性体内的细菌载量没有显著差异（Wilcoxon，W＝494，p＝n.s.；图4B）。相比之下，由于交配，Met基因敲除的雌性继续遭受明显更高的细菌载量（Wilcoxon，W=610.5，p=0.00796；图4A）。gce的RNAi敲除提高了交配后和感染后的雌性存活率，而已交配和未交配的雌性死亡率相似（Log-rank，=0.5，p=n.s.；图4D）。相反，Met基因敲除的雌性对交配仍保持免疫敏感性，并因交配而将会提高感染诱发的死亡率（Log-rank，=23.7，plt;0.0001；图4C）。有趣的是，相对于背景对照，gce表达的降低也显著提高了存活率（Tukeyrsquo;s HSD，plt;0.05），这表明即使未交配的雌性个体的基础JH水平甚至也可能对免疫防御产生负面影响。我们预测，如果gce表达通过JH信号介导对感染的抵抗，那么敲除gce的雌性应该会对烯虫酯的免疫效应产生抵抗。我们对此进行了测试，发现在除gce-RNAi外的所有基因型中，烯虫酯的使用均增加了感染引起的死亡率（Log-rank，=11.3–37.6，plt;0.0001；图4E，F）。因此，我们得出的结论是，GCE是由JH和SP驱动的、且介导交配后抗性降低的受体，并且我们已经巩固了JH作为D.melanogaster繁殖与免疫之间的生理平衡的中心调节因子的作用。

我们发现gce单独调控交配后免疫抑制，这一发现凸显了JH分子作用的复杂性。尽管MET和GCE具有明显的冗余，但新证据表明这两个bHLH-PAS转录因子的功能存在差异。例如，Reiff等人2015年的研究证明，JH对肠上皮细胞生长及伴随的生殖增加的影响主要由GCE介导。值得注意的是，虽然JH受体的复制是双翅目（Dipterans）所特有的，但gce是祖先基因，这表明JH介导的免疫抑制可能通过类似机制在其他类群中发生。

为什么JH进化出了免疫抑制功能，而交配后免疫抑制又具有自适应性？根据免疫病理回避假说，自身免疫造成的损害风险可能大于与免疫系统功能相关的风险（即immunocompromised，免疫功能低下）。如果免疫激活使生殖组织和生产受到紊乱，则由于其适应性后果，将强烈反对此类过程。在这种假设下，JH可能会抑制免疫信号传导，从而防止自身免疫，特别是在生殖组织可能成为目标的情况下。因此，免疫抑制可能用于支持繁殖生产。

一个可能更合理的解释是，这种权衡源于对资源的简单竞争。免疫和繁殖都将占用大量资源。在资源限制假说下，JH可能作为繁殖投资的分子线索起作用，而不是免疫。虽然果蝇中尚未有证据表明将特定营养物质用于抗菌素免疫再分配，但蛋白质和特定的氨基酸对昆虫的繁殖和免疫均有重要影响。最近，JH被证明可以通过提高脂质代谢来增加繁殖产量，不育的雌性则可以储存更多的三酰基甘油酯。不育雌性也表现出在对交配在免疫的影响中具有抵抗力。脂肪体是一种驱动系统免疫的组织，调节中心代谢并分配供应卵子随时可能的需求，还存储脂质，因此可能是调节权衡的器官。无论这种权衡是作为资源可用性的简单功能，还是存在更直接的对抗，仍有待最后证明。总之，我们的研究证明了JH在抑制已交配雌性的免疫功能方面的明确作用，从而为经典的生活史权衡，以及支持激素多效性理论提供了一种机制。

强调

  • 雄性性肽活化雌性JH的合成并降低其对感染的抵抗力。
  • 除去咽侧体可以抑制交配后抗性的降低。
  • JH通过受体生殖细胞表达（germ cell-expressed，gce）来抑制对细菌感染的抵抗力。
  • 激素多效性可以调节生活史性状的进化 。

图 1.JH具有免疫抑制性

（A）相比于CO2对照，注射热灭活的P.rettgeri后8小时，抗菌肽基因的mRNA表达。对未交配的雌性处理烯虫酯、丙酮或CO2，交配的雌性处理CO2(重复测量ANOVA，plt;0.0001，实验组:F3，52=27.24，plt;0.0001)。Tukeyrsquo;s HSD在每个基因中进行。相同字母的平均值无显着差异（pgt;0.05），误差线表示平均值的标准误差（SEM）。

（B）受到丙酮或烯虫酯处理的未交配雌性个体的细菌载量(ANOVA，实验组:F3，72=13.92，plt;0.0001)。相同字母的平均值无显著差异（pgt;0.05），误差线代表一个SEM。无菌伤口处理（虚线）均未发生死亡事件。n=19plusmn;1;两个重复。

（C）烯虫酯处理或者无菌培养基（PBS，虚线）或P.rettgeri（实线）注射后未交配雌性

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