Wolbachia对果蝇雄性生殖系统先天免疫的影响及其与生殖的关系

During the long-term evolution, reproductive system has formed a variety of mechanisms, including immune defense, to ensure the successful completion of gamete production, maturation and fertilization successfully. Wolbachia are gram negative bacteria that are present in a majority of arthropod species. These bacteria have evolved distinct strategies to manipulate their host reproduction. Effect of Wolbachia infection on host immunity has been a controversial issue. In order to explore whether and how Wolbachia manipulate their host reproduction through immune pathway, based on the preliminary work, this project intends to identify differently expressed and differently phosphorylated proteins between Wolbachia-infected and uninfected male reproductive systems of Drosophila melanogaster by the methods of comparative proteomics and phosphoproteomics. Next we will further investigate the roles and functional pathways of some of identified key candidate genes in immunity and reproduction by gene mutation and ChIP-Seq and other techniques. Given that the flies have conserved innate immune response pathways with other animals, including humans, this study will provide new cues not only for the research on interactions between microorganisms and their hosts, but also for the investigations on innate immune signaling pathways in vertabrates, including humans.

生殖系统在长期进化过程中已形成包括免疫防御机制在内的多种机制保障优良生殖细胞的发生、成熟及受精的顺利完成。Wolbachia是广泛存在于节肢动物体内的一类革兰氏阴性菌，能够通过多种方式影响宿主的生殖。Wolbachia感染对宿主免疫的影响一直是颇有争议的问题，本项目在前期工作基础上，拟以不同发育阶段感染和未感染Wolbachia果蝇的雄性生殖系统为研究对象，采用比较蛋白组学、磷酸化蛋白组学技术，鉴定果蝇生殖系统中差异表达及差异磷酸化的蛋白，并采用基因突变、ChIP-Seq等方法进一步研究免疫相关的候选基因的作用途径及其对生殖的影响，揭示Wolbachia通过对果蝇生殖系统免疫相关途径影响生殖的分子机理。本研究不仅可为微生物与宿主相互作用关系的研究提供新的思路，而且由于果蝇具有类似于包括人类在内的脊椎动物的先天免疫信号途径，因此本研究还可望为其他动物生殖系统免疫与生殖相关机制的研究提供参考。

沃尔巴克氏体（Wolbachia）是一类广泛存在于昆虫中的胞内共生菌，能够通过多种机制调节宿主的生殖（如引起精卵细胞质不亲和，即CI）。Wolbachia 对宿主免疫的影响一直有争议，其对免疫与生殖的影响是否有关联还未可知。本研究采用磷酸化蛋白组、基因敲降和/或过表达、免疫荧光染色等技术，鉴定出感染与未感染Wolbachia的雄性果蝇生殖系统中差异表达的磷酸化蛋白，采用qRT-PCR及Western blot技术进行了体内验证，发现免疫相关基因kenny、Vago、EbpIII、l(2)37Cd、Int6、CG2737及AIF的表达水平由于wMel的感染而显著上调，而Zn72D、Fon、Drosomycin (Drs)、Alien的表达水平则显著下调。在可能与生殖相关的12个基因中，Acp36DE、CG6652、Slmap、Mst77F、betaTub85D等11个基因的mRNA表达水平在wMel果蝇雄性生殖系统的表达发生显著上调，而CG42789则显著下调。wMel感染后果蝇精巢中的Mst77F蛋白表达水平、betatub85D蛋白表达水平和磷酸化水平都发生显著上调。在果蝇精巢中过量表达kenny导致精巢中活性氧（ROS）水平显著升高，细胞凋亡信号显著增强，成熟精子数减少，雄性育性显著降低，这和Wolbachia感染的果蝇精巢一致，但这个过程并不需要通过免疫相关途径下游的抗菌肽蛋白来实现；Zn72D敲降也导致果蝇精子发生产生严重缺陷，果蝇雄性育性也极显著下降。这些结果表明，Wolbachia能够通过影响雄性宿主精巢中免疫相关基因的表达，引起精巢产生氧化损伤，导致精巢中生殖细胞死亡，从而损害了雄性宿主的生殖，这个过程并不涉及免疫相关途径下游的抗菌肽蛋白。我们还发现ocnus敲降导致果蝇精巢体积变小，精巢中几乎没有精细胞产生，而体细胞的分布却大量扩展；Wolbachia可通过调控果蝇精巢小RNA对果蝇生殖产生影响，Wolbachia引起许多基因在果蝇精巢和卵巢中出现相反的变化模式，从总体上支持CI的“滴定-恢复”模型；此外，我们的研究还显示，Wolbachia感染对果蝇的学习记忆、睡眠、交配后效应等都会产生显著影响。本研究为共生菌与宿主相互作用关系的研究提供了新的线索，也可为其他动物免疫与生殖相关机制的研究提供参考。