原創 Cell Press CellPress細胞科學 來自專輯細胞出版社Trends綜述
生命科學
Life science
蟲媒病毒（Arbovirus）是指以蚊、蜱和跳蚤等吸食血液的節肢動物為媒介傳播的病毒，包括西尼羅病毒、登革熱病毒、乙型腦炎病毒等。研究發現節肢動物與其體內的共生微生物之間維持著錯綜複雜的關係，這些共生微生物同時也以直接或間接的方式調節著蟲媒對於蟲媒病毒的易感性1。
近日，來自清華大學醫學院的程功教授團隊針對蟲媒體內共生微生物與蟲媒病毒的關係，在Cell Press旗下的Trends in Parasitology期刊發表綜述，系統地回顧了吸血節肢動物體內的共生微生物與蟲媒病毒相互作用的最新進展，並總結了共生微生物作用於節肢動物載體和蟲媒病毒的分子機制。
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節肢動物載體、微生物群落和蟲媒病毒之間複雜的相互作用
吸食血液的節肢動物（如蚊子、蜱、蠓等）常常作為中間宿主傳播病毒與疾病。在吸食血液過程中，它們可能會偶然叮咬攜帶了蟲媒病毒的宿主，將具有傳染性的病毒連同宿主的血液一起吸食進入節肢動物腸道。隨後，病毒侵染其腸上皮細胞，然後通過感染血細胞擴散至全身組織，進而感染唾液腺並最終分泌進入唾液，當下一次叮咬發生時，蟲媒病毒便會傳播給下一宿主。
作為自然界中的重要病原體，蟲媒病毒每年可造成數百萬人患病或死亡，然而對於大多數的蟲媒傳染病，目前尚未研製出有效疫苗或特效療法。前人研究表明，節肢動物載體中的許多共生微生物可能會影響其正常的生理功能，例如繁殖，代謝和免疫2。節肢動物的腸道是病毒侵染的關鍵部位，而腸道中多種多樣的腸道菌群可以調節病毒的侵染能力或腸道上皮的防禦能力3,4。由於共生微生物群落有潛力應用於控制蟲媒疾病傳播，節肢動物載體、腸道共生微生物和蟲媒病毒三者間複雜的相互作用最近受到了極大的關注，全面理解它們之間的這些相互作用能夠為蟲媒疾病的預防和控制提供新的策略。
▲圖1.節肢動物載體、共生微生物和蟲媒病毒之間的相互作用
節肢動物載體與共生微生物之間的關係
共生微生物通常是由節肢動物載體從棲息地攝取，隨後駐留在載體的腸道和血腔中並通過交配或母體垂直傳遞。因此環境條件，包括溫度、光-暗周期、宿主可利用性和植被等因素5在很大程度上影響了腸道菌群的組成，從而導致了腸道菌群的高度多樣性6,7。
一方面，共生微生物能夠維持在節肢動物體內的穩態，並巧妙利用宿主因子或自身因子來躲避宿主體內免疫反應的刺激，從而適應宿主體內環境；另一方面，節肢動物可以精確地調節宿主免疫反應以耐受共生微生物並保持菌群正常生長5,。例如，蚊子腸上皮細胞組成性地將多種抗菌肽（AMPs）釋放到腸腔中，以防止腸道菌群過度生長5,8，但同時腸道微生物可以與多種凝集素結合，從而免受AMPs侵襲並促進自身定植在腸道中。除AMPs外，活性氧（ROS）也是調節載體-微生物群穩態的另一個關鍵免疫機制9，例如，埃及伊蚊中腸內的ROS水平降低導致腸道菌群的異常增殖，腸道內穩態被打破；而沃爾巴克氏菌（Wolbachia）某些菌株（如wAlbB）的感染與高水平ROS密切相關。另外，載體腸道中物理屏障的產生也有助於通過將微生物群落與上皮細胞分離來抵消不良反應，維持體內穩態。
節肢動物腸道中的共生微生物和蟲媒病毒的相互作用
在腸道環境中，豐富的共生微生物可通過調節腸道免疫反應、改變載體腸道的物理屏障或直接利用其自身代謝物來調節病毒感染腸道上皮細胞。
▲表1.共生微生物對節肢動物載體中蟲媒病毒感染的調控
1.腸道菌群介導的免疫反應對蟲媒病毒感染的調節
節肢動物載體可以通過調節共生微生物群介導的腸道免疫力（包括AMP的產生和ROS的活化）10來決定載體對蟲媒病毒的敏感性。AMP介導的腸道免疫主要由兩種NF-κB樣途徑主導，即免疫缺陷（IMD）通路和Toll信號通路。例如，通過口器攝入的一種腸道細菌Proteus sp.（Prsp_P）能夠上調蚊蟲腸道上皮細胞中AMP基因的表達，從而抑制登革熱病毒（DENV）感染；昆蟲病原真菌球孢白僵菌(Beauveria bassiana）通過激活Toll和JAK-STAT通路也能夠抑制登革熱病毒感染。ROS在抗蟲媒病毒和其他病原體感染載體的過程中也起著至關重要的作用，例如：黃病毒非結構蛋白1（NS1）通過抑制蚊蟲腸上皮細胞中ROS合成酶的表達來促進黃病毒感染；宿主血清鐵通過刺激蚊蟲體內ROS活性來抑制DENV感染；另外一種腸桿菌（Enterobacter sp. (Esp_Z)也可通過產生ROS來抑制瘧原蟲的生長。此外，鑑於節肢動物中的免疫系統高度保守，蚊蟲腸道菌群介導的抗病毒機制可能也適用於其他節肢動物媒介，如蜱和蠓等。
2.通過腸道菌群介導的腸道物理屏障調節病毒感染
節肢動物腸道內有兩道物理屏障：圍食膜（PM）和覆蓋在腸上皮表面的黏蛋白層。PM膜是一種富含糖蛋白的結構，可將腸上皮細胞與腸腔分隔開來。吸血節肢動物在吸食血液後，刺激腸道上皮細胞分泌幾丁質粘多糖至腸腔中形成PM膜，腸道內的共生菌群可穩定PM膜並維持腸道的上皮屏障完整性。PM膜在調節病原體侵染腸道上皮細胞過程中起著複雜的作用。埃及伊蚊中PM膜的厚度增加能夠降低一種禽瘧原蟲（Plasmodium gallinaceum）的感染率，而通過清除腸道菌群致使PM膜損傷進而可增加伯氏瘧原蟲感染率，這表明PM膜在宿主對寄生蟲入侵的抵抗中發揮著重要作用。相反，也有研究表明PM膜可能也是腸道內病原體定殖必不可少的結構支架。另外，共生菌與黏蛋白層的相互作用也影響了蟲媒病毒入侵腸道的能力。
3.腸道菌群代謝物對蟲媒病毒感染的調節及潛在應用
除了增強腸道免疫和調節腸道物理屏障外，腸道菌群還可以通過分泌代謝產物直接調節蟲媒病毒的感染。例如，埃及伊蚊中腸中分離出的色桿菌能通過分泌氨基肽酶直接降解DENV包膜蛋白從而抑制DENV感染；從白紋伊蚊的腸中分離出的羅氏假單胞菌等共生菌可能會產生具有生物活性的化合物，從而抑制拉克羅斯腦炎病毒的感染。因此對於這些具有抗病原能力的腸道微生物，有希望通過基因工程進行改造，以增強其分泌抗病毒因子和免疫活化劑。
非腸道組織中的共生微生物與蟲媒病毒的相互作用
儘管腸道是共生微生物的主要棲息場所，但仍有許多共生微生物寄生在節肢動物的其他組織如唾液腺、脂肪體，卵巢和血細胞等，這些共生微生物也可以調節蟲媒病毒的感染，從而影響節肢動物載體對蟲媒病毒的易感性。例如，胞內共生菌沃爾巴氏體寄生于于體內多個組織中，可以激活多種抗病毒效應因子的表達，並通過多種機制有效抑制登革熱病毒(DENV）、寨卡病毒(ZIKV)和基孔肯雅病毒(CHIKV)以及瘧原蟲感染。
作者專訪
Cell Press細胞出版社特別邀請程功教授進行了專訪，請他們為大家進一步詳細解讀。
CellPress：
您是如何選擇蚊媒病毒性傳染病作為您的研究方向的？
程功教授：
博士期間我主要從事口蹄疫病毒相關研究，積累了一定的烈性病毒(生物安全三級)研究經驗；博士後期間從事西尼羅病毒相關研究，主要關注西尼羅病毒在蚊蟲中的攜帶及傳播機制，開始涉足蚊媒病毒性傳染病研究領域。隨著研究深入，我發現蚊媒病毒傳染病是一個重要且充滿挑戰的研究方向。近年來,多種新發或再發烈性蚊媒病毒傳染病在世界不同地區暴發流行，每年導致數億人感染。但是到目前為止，絕大多數蚊媒傳染病並沒有有效的疫苗或治療藥物，使得蚊媒傳染病流行愈演愈烈。該公共衛生難題形成的原因，一方面是由於蚊媒病毒傳染病存在特殊的致病機制，另一方面也是因為之前蚊媒病毒傳染病基礎研究相對滯後，尤其是「蚊蟲媒介-病毒」分子關係一直是領域內研究的盲點，深入研究「媒介-病毒」關係將對蚊媒病毒傳染病的防治提供新的思路和防治策略。回國建立實驗室後，我選擇將蚊媒病毒性傳染病繼續作為研究方向，並聚焦到三個主要方面：蚊媒病毒感染傳播機制研究、蚊媒抗病毒免疫研究、蚊媒病毒新型防治技術研發。
CellPress：
對於蟲媒傳染病來說，您認為未來我們面臨的最大挑戰是什麼？
程功教授：
蟲媒傳染病有數百種之多並由節肢動物攜帶傳播，多數是典型的人獸共患及自然疫源性疾病，因此難於防治，即使通過疫苗或藥物在人群中將病毒清除，病毒仍然會在自然界中長期循環存在，隨時威脅人類健康。基於多年研究經驗，我認為主要挑戰包括：1、缺乏對蟲媒傳染病的科學理解。蟲媒傳染病種類龐雜，由蚊、蜱、白蛉等多種節肢動物媒介攜帶並傳播給宿主。之前該領域的研究主要關注於病原體分類、病原體性質及傳播因素，更多是從宏觀角度觀察描述蟲媒傳染病。由於缺乏對該類疾病的機制研究，導致蟲媒傳染病防治仍採取傳統手段，在疫苗、藥物、新技術方面長期沒有進展。因此，從「源頭」研究和理解蟲媒傳染病的致病機制、傳播機制及宿主免疫保護機制顯得尤為重要。2、新興蟲媒傳染病不斷出現。近20年來，登革熱、西尼羅腦炎、基孔肯亞熱及寨卡熱等一系列蟲媒傳染病相繼在世界不同地區流行，其中登革熱及寨卡熱在全球傳播，引起嚴重公共衛生危機。但是對該類傳染病仍缺乏相關疫苗、藥物及有效幹預手段，如何控制蟲媒傳染病仍然是一個我們必須面對的重要公共衛生問題。3、急需研發蟲媒傳染病的廣譜防治策略。蟲媒傳染病有數百種之多，某些曾經「默默無聞」的病毒也可能突然暴發流行(如寨卡病毒引起的全球公共衛生事件)，導致蟲媒傳染病層出不窮。但是針對每種蟲媒傳染病均研發藥物和疫苗又不現實，因此需要思考和尋找對蟲媒傳染病的廣譜防治策略，未來能有效控制該類疾病的傳播流行。
CellPress：
您覺得公眾對於蟲媒傳染病的哪些方面應該了解更多?
程功教授：
我認為首先要促進公眾了解蟲媒傳染病的危險性。蚊子可以傳播瘧疾、淋巴絲蟲病、登革熱、寨卡熱、乙型腦炎和西尼羅河病等嚴重疾病；蠅類可以傳播盤尾絲蟲病、利什曼病和非洲人類錐蟲病；蜱蟲可以傳播萊姆病、出血熱及多種腦炎。今天全世界80%以上的人口面臨蟲媒傳染病的感染風險，一半人口面臨兩種或兩種以上罹患蟲媒傳染病的風險。這些疾病多數沒有疫苗或藥物、嚴重感染可導致較高死亡率。所以公眾應該更多地了解蟲媒傳染病的危險性，從而提高警惕，做好防護,降低蟲媒傳染病傳播的風險；其次公眾要了解防治蟲媒傳染病的重要性。蟲媒傳染病曾是人類社會的主要威脅之一，曾經的六大國際檢疫傳染病中有四種都是蟲媒傳播疾病。近年來，蟲媒傳染病多次暴發流行，隨著國際交流的日益頻繁，蟲媒傳染病的威脅也在不斷增加，比如登革熱在我國的流行呈明顯上升，因此蟲媒傳染病防治未來將成為我國公共衛生的一項重要需求。
CellPress：
您對剛剛進入科研界的年輕科學家們有何建議？
程功教授：
我是2011年回國建立實驗室開展獨立研究，目前已近十年時間。回顧自己的研究經歷，有幾點建議與大家共勉：1、堅持自己的研究方向，要有「坐冷板凳」的精神。在一個領域內深入挖掘不隨便追逐熱點，終究會取得科研上的突破和領域內科學家的認可。2、將您的實驗室成員視為隊友。作為實驗室負責人，須準確把握科研方向，為團隊確定研究重點；同時要認真聽取博士後及研究生等團隊成員的意見和建議，並經常與他們討論有關課題和科研思路，爭取做到「授之與漁」。平時多多關心團隊成員的工作和生活的日常問題。3、善於創建協作環境。合作是當前科學實踐的基石，合作能夠使科學家們解決一個實驗室無法完成的、昂貴或跨學科的項目。將科學作為一項集體努力也為學習和專業發展帶來了許多機會，特別是對於早期職業研究人員而言。因此，作為實驗室負責人，需要積極促進實驗室內及實驗室間的協作，「集思廣益」解決科學問題。
本文參考文獻（上線划動查看）
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論文作者團隊介紹
程功
教授
程功教授在蚊媒病毒感染傳播機制與抗病毒免疫研究領域進行長期探索，已取得了一系列的具有創新性和國際影響的研究成果，其一系列工作促進了蚊媒病毒傳染病知識概念體系的發展和完善，代表著我國在蚊媒病毒傳染病這一生命醫學熱點領域的重要突破。以上研究在《自然》、《細胞》及其子刊等主流刊物發表，獲得多項發明專利授權並申請國際專利。程功教授的研究工作已處於蚊媒病毒研究領域的世界前沿，他的科研工作成果已受到廣泛認可。
程功教授曾獲得北京市科學技術獎（自然科學類）一等獎 (第一完成人)、國家傑出青年科學基金、教育部青年長江學者、國家自然基金委重點項目、茅以升北京青年科技獎、英國皇家醫學會「牛頓高級學者」、談家楨生命科學獎、樹蘭醫學青年獎、中源協和生命創新獎、藥明康德生命化學研究獎、科技部/蓋茨基金會「Grand Challenge青年科學家」等獎勵榮譽。擔任中國昆蟲學會昆蟲比較免疫與互作專業委員會副主任委員、中國微生物學會微生物生物安全專業委員會委員、中國實驗動物學會媒介實驗動物專業委員會常務委員、中華預防醫學會媒介生物學及控制專業委員會委員、國際應急管理協會亞太衛生應急專業委員會常務委員等學術職務。
Email:gongcheng@mail.tsinghua.edu.cn
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▌論文標題：
Roles of Symbiotic Microorganisms in Arboviral Infection of Arthropod Vectors
▌論文網址：
https://www.cell.com/trends/parasitology/fulltext/S1471-4922(20)30106-9
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.pt.2020.04.009
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