胶原蛋白网络调控上皮细胞固有免疫应答的机制研究

The collagens are an enormous family of extracellular matrix proteins that maintain the structure of various tissues. They play dominant roles in in cell adhesion, migration, and tissue remodeling during growth and in many pathologic states. However, their functions in regulating innate immunity remain largely undiscovered. Here we use C. elegans epidermis as the model to address this question. The adult C. elegans epidermis is a single-cell layered tissue covered with a collagen-rich cuticle exoskeleton. The C. elegans epidermal cells possess cell-autonomous defense machineries against invading pathogens or physical injury. When subjected to skin-penetrating fungal infection or physical injury, it activates specific innate defense through p38-MAPK or TGF-beta signaling cassettes and produces antimicrobial peptides (AMPs) such as nlp-29 and cnc-2. By inactivating 175 genes encoding C. elegans cuticle collagens one at a time, we pinpointed a small group of 6 collagens capable of triggering epidermal immune defense once absent. By screening most signaling molecules known to control AMP production, we found that the immune defense against collagen loss goes through MUP-4/STA-2 pathway, but not any other immune-related signaling pathways. By fully exploring the mechanisms underlying collagen-controlled epidermal innate immune response in C. elegans，we may help to uncover generic roles of collagens in regulation of innate immunity。 Results obtained from these studies may also provide mechanistic insights into the pathogenesis of inflammatory diseases involving the extracellular matrix.

哺乳动物的胶原蛋白含量非常丰富，约占总蛋白的25%-35%。胶原蛋白不仅负责维持组织的形态结构，而且在各种生理及病理过程中都有重要作用，其缺失或变异后会对机体产生严重影响，已知人类超过1300种疾病由胶原蛋白突变引起。目前，越来越多的报道显示了胶原蛋白和免疫系统的关系。但是目前的研究大多关注单个胶原蛋白对特异性免疫细胞的作用，而忽视了胶原蛋白网络作为一个高度交联的整体对组织免疫微环境的调节。秀丽线虫的胶原蛋白网络大多集中在与表皮上皮细胞相邻的外皮ECM中，与哺乳动物具有较高的同源性。在本课题中，我们拟充分利用线虫简单保守的固有免疫系统和基因敲除的易操作性等优点，系统全面地解析胶原蛋白网络对上皮细胞固有免疫的调控作用，揭示细胞外基质中的胶原蛋白在免疫应答调节中的普遍运作规律。并辅以哺乳动物模型验证在线虫模式中得到的研究成果，深入探索可影响固有免疫应答的胶原蛋白的运作规律和生理意义。

生物体中含量丰富的胶原蛋白在各种生理及病理过程中都有重要作用。目前越来越多的报道显示了胶原蛋白和免疫系统的关系，但是大多研究仅关注单个胶原蛋白对特异性免疫细胞的作用。秀丽线虫的胶原蛋白网络大多集中在与表皮上皮细胞相邻的外皮基质中，与哺乳动物具有较高的同源性。在本项目中，我们充分利用线虫简单保守的固有免疫系统和基因敲除的易操作性等优点，揭示了胶原蛋白网络作为一个高度交联的整体对组织免疫微环境的调节。我们发现秀丽线虫表皮细胞外基质中的绝大多数胶原蛋白都不参与固有免疫系统的调节工作，只有少数几个同一时间表达的外皮胶原蛋白会调节固有免疫。对下游免疫相关通路的阻断实验表明胶原蛋白缺失诱发的固有免疫应答不经由已知的经典信号通路，而是主要依赖于转录因子STA-2的功能。并且一组特定胶原蛋白调节固有免疫应答是间接通过影响表皮细胞免疫调节受体MUP-4与胞外配体BLI-1的直接相互作用来实现的。我们后续发现具有免疫调节功能的胶原蛋白都属于同一个表达节律，并且其中某一个的缺失都会造成其它胶原蛋白定位的紊乱。而不具有免疫调节功能的胶原蛋白的缺失并不会影响具有免疫调节功能的胶原蛋白的定位。根据以上的研究成果，我们认为细胞外基质中的胶原蛋白网络很可能通过一种二层级联模式来对细胞外微环境进行免疫监控：负责激活免疫应答的核心元素仅为一对胶原蛋白-受体复合体，同时为了提高预警敏感性，另有6个胶原蛋白间接控制核心胶原蛋白与受体的结合。而为了避免预警系统过于敏感，绝大多数胶原蛋白并不参与免疫应答的调控任务。本研究揭示了生物体细胞外基质对结构损伤造成的免疫应答进行调控的巧妙和精确性，为充分探究细胞外基质在免疫调节中的作用提供了新的思路。我们关于细胞外基质胶原蛋白对上皮细胞具有特异性免疫抑制作用的发现，可帮助解析多种胶原蛋白相关疾病的病理成因及开发炎症相关症状的治疗方法。