蝙蝠作为病毒自然宿主的秘密—宿主防御与耐受平衡

编译、撰文：一面

近几十年出现的亨德拉、尼帕、马尔堡和埃博拉病毒、以及严重急性呼吸道综合征（SARS）、中东呼吸道综合征（MERS）、以及当前流行的新型冠状病毒（SARS-CoV-2）几乎都与蝙蝠有关，蝙蝠寿命长，肿瘤发生率低，且具有携带病毒但不出现临床疾病的特殊能力。最近的研究表明，6400万年的适应性进化塑造了蝙蝠的宿主防御系统，使其在防御和耐受性之间取得了平衡，从而形成了独特的能力，成为病毒的理想宿主。对蝙蝠宿主防御的理解将有助于我们更好地理解病毒的演化，以便更好地预测、预防和控制未来的病毒暴发。

2021年1月21日，杜克—新加坡国立大学王林发团队在Nature上发表了一篇观点文章，讨论了蝙蝠的宿主防御系统和免疫耐受性的机制，以及它们对人类健康和疾病的影响。

在哺乳动物中，蝙蝠（Chiroptera）是一个丰富的种群，在超过6400种已知的哺乳动物中蝙蝠占1423种，这种多样性与他们因为具有飞行能力而地理分布广泛相匹配，目前只有极地地区、极端的沙漠气候和一些海洋岛屿没有被蝙蝠所占据，蝙蝠也是其他动物和植物群高度依赖的施肥、授粉、种子传播和控制昆虫种群的关键物种，他们栖息在树叶，岩石缝隙和洞穴、中空的树、以及人类的仓库，房屋和桥梁之中，不同种群的特征也各不相同，蝙蝠生育率低因此具有一些生殖策略如储存精子或延长怀孕等。蝙蝠的食物包括蜜、水果、花粉、昆虫、鱼和血液等。蝙蝠最吸引人类的是拥有回声定位和磁感知（区分南方和北方）能力。

尽管飞行对于蝙蝠来说是一种优势，但这也加快了蝙蝠体内的新陈代谢，其新陈代谢率是类似大小运动型陆生哺乳动物的2.5到3倍。这种巨大的能量需求使得蝙蝠每天消耗高达50％的储存能量，食蜜蝙蝠可以在8分钟内分解并消耗他们的饮食中的糖类，飞行蝙蝠则每小时消耗约1200卡路里。蝙蝠对这种高新陈代谢率表现出了一定的适应性，心率增加了4到5倍，在飞行过程中最大可达1066次/分钟；2）同时为了补偿高水平的心脏压力，周期性心动过缓被诱导为5到7分钟，在休息期间仅为每小时数次，能够节省高达10％的可用能量。尽管他们代谢率高身材小，但蝙蝠的寿命大大长于其他类似体型的哺乳动物，调整体型后，只有19种哺乳动物比人类更长寿，其中18种是蝙蝠（另一种是裸鼹鼠），有记录的蝙蝠的最大寿命是体型相似的非飞行哺乳动物的3.5倍。作为哺乳动物的抗衰老模型，蝙蝠也可以为人类延缓死亡和提高寿命的研究提供重要线索。

病毒的自然宿主

几个世纪以来，蝙蝠一直与传染病息息相关，1909年蝙蝠就因传播狂犬病病毒而被研究者广泛研究，对动物中的包膜正链RNA冠状病毒而言，有 54%与蝙蝠有关，从SARS-CoV到MERS-CoV，再到最近的SARS-CoV-2，最近报道的几种蝙蝠冠状病毒也与SARS-CoV-2具有高度遗传相似性。蝙蝠也已被证实比其他哺乳动物物种拥有更多的人畜共患病原体。

曾有多项研究探讨蝙蝠作为病毒的自然宿主原因，有研究显示，蝙蝠冬眠期间的免疫变化或蝙蝠在飞行过程中较高的温度（即"发烧 "假说）可能降低了病毒负荷，因而使得它们成为了病毒自然宿主。然而，研究者对在高温下生长的蝙蝠细胞的研究并没有显示出病毒滴度比在37℃下生长的细胞有所减少。此外，更多的研究表明，病毒对感染具有耐受性（而不是病毒负荷的主动减少）可能成就了其自然宿主的身份。最近对蝙蝠的新陈代谢、线粒体动力学、先天性和适应性免疫以及代谢和免疫系统之间的联系的工作提供了深入了解蝙蝠的潜在动态反应。蝙蝠的特别之处可能不在于抗病毒能力，而在于他们的对抗疾病的功能。

宿主防御与耐受平衡

稳态是生命系统的最终健康状态，从细胞到个体，获得稳态需要不断改变生化和生理途径。例如，维持恒定的血压，是对包括激素、神经肌肉和心血管系统在内的多种协调功能进行微调和平衡的结果。有效的宿主防御系统也是如此，虽然对抗病原体和疾病需要适当的防御水平，但过度或失调的反应会导致细胞损伤和组织病变。许多新出现的病毒，包括高致病性的SARS-CoV和埃博拉病毒，都与先天免疫激活异常以及免疫反应延长有关。而受感染的蝙蝠能在组织或血清中检测到高病毒滴度，但仍然几乎不表现出疾病症状。这表明，他们在宿主防御与耐受之间达到了平衡，高度容忍病毒性疾病。

增强宿主防御反应

转录组分析显示，和其他哺乳动物不同，蝙蝠的干扰素（IFN）反应和抗病毒活性较强，可能是由IFN调节因子（IRFs）调节，已在蝙蝠中观察到了IRF7和IRF3上调介导抗病毒反应增强。I型IFNs的限制性诱导将最大限度地减少炎症细胞因子的产生，一些蝙蝠的干扰素刺激基因也下降较快。此外，几个抗病毒基因（如RNASEL）在蝙蝠中也受IFN调控，但在其他哺乳动物中不是，这种功能改变可能和压力选择有关（如APOBEC3），具体到不同的蝙蝠种类，抗病毒活性均有不同。这些蝙蝠特异性变化的表达水平、动力学变化、IFN通路中抗病毒基因的功能，有助于蝙蝠有效地对病毒进行控制。

除了先天免疫反应外，最近的研究还揭示了蝙蝠宿主防御的其他机制。如自噬增强在蝙蝠细胞中病毒的清除方面起着关键作用；蝙蝠还表达非常高水平的热休克蛋白，这使得蝙蝠细胞在体外高温和高氧化应激下具有较高的生存能力，热休克蛋白通过对病毒蛋白的伴侣化和对一些病毒突变的耐受性，帮助病毒加速演化，同时还可具有作为病毒受体、调节炎症反应、抑制细胞凋亡以及影响衰老等功能。此外，线粒体和核氧化磷酸化基因图谱也显示出了特定适应性进化变化的证据，这也支持了与蝙蝠飞行相关的大量代谢需求。

免疫耐受的机制

蝙蝠在对高病毒滴度的感染表现出了一定的耐受性，蝙蝠感染高剂量的埃博拉病毒和MERS-CoV几乎不表现出临床疾病。这可能和免疫相关基因的进化（如编码模式识别受体的基因）有关，模式识别受体从受损细胞和结构保守的微生物结构中感知内源性分子，分别称为损伤和病原体相关的分子模式。这些模式识别受体对病毒入侵的识别及其下游信号传导极为关键。对蝙蝠免疫耐受性的机理研究表明，STING依赖的I型IFN反应在几个蝙蝠品种中被抑制，是STING的一个高度保守的氨基酸出现点突变所致。STING是一种重要的模式识别受体，介导DNA诱导的相关信号，在感染、炎症和癌症中具有关键作用。这种突变可能是由演化驱动的，以维持飞行诱导的宿主DNA损伤的STING过度激活。

最近的一项研究揭示了另一个关键机制，蝙蝠自然抑制宿主炎症，以应对危险信号。 炎症体传感器NLRP3可以识别各种细胞压力和病原体入侵，在蝙蝠中其转录和蛋白质水平受到抑制。重要的是，NLRP3介导的对RNA病毒的炎症反应降低对病毒负荷几乎没有影响，这也支持了蝙蝠的先天免疫耐受性增强。由于NLRP3越来越多地被认为是感应广谱的新兴病毒传感器（包括MERS-CoV和SARS-CoV），这种机制可能广泛应用到其他蝙蝠传播的病毒（包括SARS-CoV-2）中来。除此之外，PYHIN基因家族（包括AIM2和IFI16）的表达变化可能也参与蝙蝠的免疫耐受增强。NLRP3和AIM2都汇聚在其下游效应因子caspase-1上，caspase-1负责裂解炎症细胞因子IL-1β和IL-18，并同时通过GSDMD释放炎症细胞焦亡。飞行的高代谢需求可能会导致代谢副产物的释放，包括活性氧、ATP、受损的DNA和其他已知会触发炎症体激活的危险信号。因此，对飞行的适应可能驱动了蝙蝠中不同的抑制机制，这反过来又限制了病毒引起的过度炎症，这可能有助于蝙蝠对病毒感染的耐受性增强以及寿命的增加。

总结

几十年前，没有人会预料到蝙蝠的研究如此重要。除了飞行外，各种生物特征使蝙蝠在哺乳动物中独树一帜，目前包括单细胞RNA测序等技术手段的发展，使我们能够对蝙蝠、蝙蝠免疫细胞群及其特定功能和途径进行更深入的描述。蝙蝠的宿主防御和免疫耐受平衡使得蝙蝠具有极强的抗病功能。识别鉴定参与维持这种稳态平衡的关键调节器和机制，将为控制和防治人类的病毒、癌症、衰老和许多炎症性疾病提供很多宝贵的见解和经验。

原文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-020-03128-0

制版人：Kira