PNAS | “跨界RNA干扰”，昆虫免疫防御新机制

RESEARCH

昆虫免疫领域重要进展

2021年5月4日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心王四宝研究组在PNAS上在线发表了题为Insects defend against fungal infection by employing microRNAs to silence virulence-related genes的研究论文。该研究首次发现了昆虫分泌miRNA到入侵的病原真菌内，利用“跨界RNA干扰(cross-kingdom RNAi)”机制沉默真菌毒力基因的表达，对抗真菌侵染的免疫防御新机制。

研究背景

• 昆虫是地球上最繁盛、种类最多、分布最广的生物类群，是地球生态系统中不可或缺的组成部分。同时，昆虫取食或吸血对农业生产和人类健康造成巨大危害，害虫的绿色防控对保障粮食安全生产、人类健康和生态安全具有重要意义。昆虫在自然生长发育过程中，会遭受来自各种病原微生物的攻击，有些病原微生物已被开发用于害虫的微生物防治。球孢白僵菌等真菌通过体壁侵染的方式感染昆虫，在刺吸式口器的病媒昆虫（蚊虫等）和农业害虫的生物防治上具有独特的优势，被认为是蚊虫生物防治上最具潜力的下一代生物杀蚊剂之一。开展昆虫与病原真菌互作机理研究，深入解析寄主昆虫抵抗真菌感染的免疫机制，能为提高真菌杀虫效率提供新的靶标，对研发高效真菌杀虫剂或益虫保护均具有重要的意义。

• 昆虫在自然界与各类病原体长期攻防与博弈的过程中，进化形成了一套复杂高效的独特防御系统抵御病原菌的感染。病原真菌在穿透体壁侵染过程中，昆虫模式识别受体PRR通过识别真菌特定分子结构即病原相关分子模式PAMP，激活Toll等免疫信号通路介导产生抗菌肽，以及酚氧化酶系统介导产生黑化免疫反应， 以抵御真菌的感染。当病原真菌穿透体壁侵入昆虫血腔后，便分化形成棍棒状、薄或无细胞壁的芽生孢子(虫菌体),逃避寄主昆虫的免疫识别和血细胞免疫反应。病原真菌侵入昆虫血腔后，一般需要一周甚至更长的时间才能将昆虫致死。然而，昆虫如何抵抗侵入血腔中病原真菌感染的免疫机制了解甚少。

研究过程

微小RNA (miRNA)是一类在转录后水平调控基因表达的长约22个核苷酸小分子RNA (sRNA)，广泛参与发育、免疫、宿主与病原互作等生物学过程。以往有关昆虫miRNA在免疫防御中的研究主要集中在调控昆虫自身免疫基因上。王四宝研究团队通过sRNA测序对感染球孢白僵菌后昆虫体表长出的菌丝中miRNA进行分析，发现侵染菌丝含有多个昆虫miRNAs (let-7, miR-100等)。系统深入研究发现，当真菌从昆虫体壁侵入血腔后，蚊虫和家蚕均显著上调表达let-7和miR-100，并将这些miRNA转运到入侵真菌的细胞内，分别靶向沉默真菌基因sec2p (编码一个鸟嘌呤核苷酸交换因子)和C6TF (编码一个Zn(II)2Cys6家族的转录因子)。敲除基因sec2p或C6TF后球孢白僵菌的致病力显著减弱，表明sec2p和C6TF为真菌毒力相关基因。以上研究结果表明，昆虫与病原真菌互作过程中分泌特定的miRNA并转运到入侵病原菌细胞中，诱导沉默真菌毒力相关基因的表达，从而抑制病原菌的致病力（图1）。重要的是，在病原真菌中表达let-7 sponge或miR-100 sponge (miRNA sponge是一段含有miRNA结合位点的RNA分子，通过竞争性结合起到miRNA海绵的作用)能够有效抑制let-7和miR-100对真菌靶基因的沉默作用，进而显著增强病原真菌的致病力。

图1. 昆虫miRNA跨界抑制病原真菌毒力基因表达来防御真菌感染的免疫新机制

• 该研究是昆虫免疫研究领域的重要进展，从崭新的视角深入揭示了昆虫miRNA如何“以小博大，跨界打靶”病原菌致病基因的互作机制，开辟了“跨界RNAi”介导的昆虫免疫防御研究新方向。不仅发现了一种全新的昆虫免疫防御机制，而且对应用遗传手段逆转昆虫miRNA效应因子干扰真菌毒力基因表达提供了新方法，为真菌杀虫剂的遗传改良提供了新策略。

• 王四宝研究团队前期研究发现杀虫真菌利用sRNA作为效应因子实施跨界抑制昆虫免疫反应并促进感染的新机制 (Cui et al., 2019. Nature Communications)。这些研究发现并证实了sRNA在昆虫与互作的病原真菌之间跨界转运,并通过RNAi机制跨界调控敌方基因的表达，参与昆虫免疫和病原真菌的致病过程。

相关信息

王四宝 研究员

媒介昆虫与微生物相互作用

王四宝研究组的博士研究生王燕和崔春来为该论文的共同第一作者，博士生王官栋、李袆斐等参与了该项研究工作，王四宝研究员为通讯作者。该研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、中科院等项目资助。

论文链接：

https://www.pnas.org/content/118/19/e2023802118