文昌鱼吞噬相关呼吸爆发及其在消化道免疫中的作用

Phagocytic respiratory burst (PRB) is a sophisticated mechanism for reactive oxygen species (ROS) production that has been evolved in vertebrates and used by migratory phagocytes to destroy internalized microbes. The remarkable advantage of PRB is the mobility endowed by migratory phagocytes and the high microbicidal activity and specificity achieved by maximizing local ROS concentration, minimizing global oxygen consumption and collateral damage. PRB has not been found in non-vertebrates, so it was believed that PRB is a vertebrate innovation. However, recently, we have demonstrated the presence of a complete PRB pathway in a basal chordate, the amphioxus. We showed that the gut epithelial lining cells of the amphioxus were competent at bacterial phagocytosis, and there is evidence that the PRB machinery participated in the initiation of the phagocytic process. In conclusion, we report the presence of the classical PRB machinery in non-vertebrates, and provide the first evidence for the possible role of PRB in the epithelial cell immunity and phagocytosis. In this proposal, we are set to further investigate the mechanisms and regulation of the PRB in amphioxus, as well as its role in the epithelial mucosal immunity. We will also look for similar mechanisms in vertebrates and other invertebrates, in order to understand the functional evolution of PRB.

吞噬相关呼吸爆发是一种先进、复杂的活性氧产生机制和免疫防御机制。该机制主要发生在吞噬体内，因此可降低活性氧了对机体自身的伤害，并增强了活性氧的杀伤效率。配合适应性免疫，该机制可以高效、特异地清除病原物。传统认为，这一途径是脊椎动物独有的免疫机制，而且只存在于吞噬性白细胞中(粒细胞和巨噬细胞等)。但是，我们最近的研究发现，文昌鱼拥有编码吞噬相关呼吸爆发链的全套基因；而且体内外实验显示，文昌鱼上皮细胞具有吞噬作用，且吞噬过程伴随明显的呼吸爆发反应。我们据此提出，吞噬相关呼吸爆发的起源可追溯到无脊椎动物(文昌鱼)。本项目将深入研究文昌鱼这一特殊的呼吸爆发机制，期望揭示它的机理、调控以及在粘膜免疫和粘膜稳态维持中的作用。另一方面，上皮细胞的吞噬合并呼吸爆发现象在其它物种(包括脊椎动物)中尚无明确报道。我们将尝试在其它物种中探寻类似的机制，开展比较生物学研究，期望揭示吞噬相关呼吸爆发的功能演化路径。

鳃肠黏膜直接与外界物质接触，而且必需进行物质交换，因此需要强大的免疫防御系统保证机体安全。本研究以文昌鱼为主要研究对象，研究黏膜免疫的功能演化。文昌鱼能够依靠多种机制提供强大的黏膜免疫能力，其中最为强大是它具有全套完整的吞噬相关呼吸爆发链，该机制能够产生大量活性氧并释放到黏膜表面，如同发生在溶液中火焰，高效杀灭各种病原物。该机制还需要搭配其它免疫机制才能发挥最有效果。譬如我们发现，文昌鱼具有由几丁质形成的肠道围食膜。在昆虫等动物中，围食膜不但阻隔有害物质直接入侵上皮，还作为活性氧驻留和杀灭病原物的关键场所。呼吸爆发机制还需要与其它免疫分子的协同作用。譬如我们发现，文昌鱼具有海洋无脊椎动物独有的ApeC蛋白家族，该家族蛋白在黏膜中具有极高表达量，能够高效凝集微生物，因此有助病原微生物的高效免疫清除。呼吸爆发等免疫机制具有强大的破坏作用，需要严格调控才能发挥最大抗菌作用的同时降低自身免疫伤害。因此，我们对能够调控氧化爆发和ApeC蛋白功能的关键信号通路，即IRAK-TRAF6-NF-kB通路进行了深入的研究。上述研究成果，为深入认识水生动物黏膜免疫的功能与演化提供了更多参考。