环形泰勒虫(
Theileria annulata)是泰勒属内致病性最强的蜱传性寄生虫,可侵染并转化牛B淋巴细胞、巨噬细胞与树突状细胞,是导致养牛业遭受重大经济损失的主要病原
[1-2]。其致病机制的核心在于虫体裂殖体分泌蛋白(如TashAT和SVSP家族等)经由宿主细胞质/细胞核的转运,进而干扰宿主细胞信号网络和表观遗传调控系统,从而驱动细胞异常增殖与转化,引发肿瘤表型变化
[3-4]。因此,该转化细胞为研究虫体和宿主细胞互作提供了理想的生物模型。
近年来,环形泰勒虫介导宿主细胞转化机制,已成为寄生虫学与肿瘤生物学交叉领域的研究热点
[5],早期研究多聚焦于核转录因子等单一信号通路的激活,如今拓展至涵盖基因突变、信号转导网络重构、表观遗传与宿主病理响应等多维度
[6-12]。尽管已有大量虫体蛋白与信号通路已被证实,但该领域仍存在明显研究短板:现有研究未能系统梳理虫体分泌蛋白与宿主靶标互作逻辑、宿主基因突变与信号通路之间是否存在互作尚不清楚。多数研究仅关注转化细胞内分子变化,缺乏细胞表型与宿主免疫应答、氧化应激及自噬等病理响应相互关联的探讨,导致对虫体介导宿主细胞转化完整机制仍未得到阐述。因此,本综述突破传统单一分子或通路研究局限,以多维协同调控网络为框架,依次梳理基因组突变与适应性进化、信号通路劫持(NF-κB与ERK/AP-1、PI3K/AKT通路)、表观遗传(组蛋白修饰、DNA甲基化)与转录后(miRNA网络)调控及宿主系统性病理响应(免疫调控、氧化应激、自噬逃逸)等方面的最新进展。在厘清各层面核心机制的基础上,进一步指出各层面间已揭示或潜在的关键交互关系,旨在系统阐释环形泰勒虫介导宿主细胞转化的复杂调控网络,为该转化机制的解析提供理论基础。
1 基因组突变与适应性进化
1.1 宿主基因组的突变特征与驱动机制
在宿主-寄生虫共进化的过程中,大多数寄生性原虫的诱变机制被归为随机DNA损伤的传统范畴
[13]。顶复门寄生虫的基因组在蛋白质组规模缩小的同时,常伴随DNA修复基因显著丢失,这可能是其突变率升高的重要内在原因
[14]。环形泰勒虫也印证了这一特征,印度虫株在微卫星序列、全基因组位点及抗原基因等多个层面均存在广泛的基因突变,仅染色体1积累的SNP最多(3 210)
[15]。该虫诱导宿主基因组发生广泛体细胞突变,共鉴定出35 341个SNVs和InDels,其中7 867个外显子区域突变为所有细胞系共有,说明寄生虫并非随机诱变宿主基因组,而是通过特定机制系统性诱导基因组变异
[6]。
ROS1基因中发现错义突变(如c.6884A>G等)致激酶构象异常,激活MAPK/PI3K-Akt通路,且其抑制剂克唑替尼处理细胞,导致转化细胞凋亡,证实ROS1依赖信号作为虫体感染白细胞增殖的介导因子
[6]。此外,宿主TP53/p21通路信号传导受阻、BARD1/KMT2C突变加剧基因组不稳定性,并且虫体上调APOBEC3H,诱导C→T/C→G突变(占SNVs总数42%),提示虫体可能借助宿主DNA编辑酶加速基因组突变,从而实现免疫逃逸
[6]。
1.2 耐药基因突变与群体遗传进化
虫体Cyt b基因突变是虫体对布帕伐醌产生耐药性的分子基础,已报道耐药突变位点包括M128I、G129S、S253R、S262R,另有 V203I、V219I两类新型突变位点被陆续发现
[16-17]。除Cyt b外,TaPIN1也是介导布帕伐醌耐药的关键基因,该基因P26A、K121E、G124E位点突变,与国外报道的耐药虫株高度一致
[18-19];另有A53P和A53T两突变位点对虫体产生耐药表型
[20]。其中TaPIN1-A53P突变也帮助虫体逃避布帕伐醌对PKM2/HIF1α通路的抑制作用,从而产生特异性耐药表型
[21]。由于TaPIN1和Cyt b基因联合突变普遍存在,可作为追踪非洲、中东和亚洲耐药性传播的重要生物标志物
[22]。全球环形泰勒虫分离株存在显著遗传异质性,其中印度北部与伊朗分离株亲缘关系较近,而中国新疆分离株则形成独立遗传进化支,表明该虫在地理扩散过程中发生显著的适应性进化
[23]。对南亚、中东、北非和欧亚四大区域的虫株比较发现,各地虫株均具备较高的遗传多样性,且结合蜱的生物学习性、宿主因素(年龄、性别和品种)以及地理屏障共同限制了种群间基因交流,使耐药突变具有地域独立性;媒介传播与宿主免疫选择促进虫株进化,进而造成不同地区宿主细胞转化的表型存在差异
[24]。
1.3 基因突变与信号通路的关系
宿主基因突变与信号通路存在密切双向调控关系,ROS1基因发生错义突变可改变激酶空间构象,持续激活PI3K‑AKT、ERK/MAPK等关键通路
[6];TP53、BARD1等基因突变加剧基因组不稳定性,增强通路的异常活化。虫体通过上调APOBEC3H加速宿主基因突变,而信号通路异常活化又会提升突变概率,二者共同推动细胞转化
[6]。与此同时,虫体通过Cyt b、TaPIN1等耐药性突变与种群进化,保障其在宿主体内持续定植,而这种持续寄生诱导宿主表型存在差异,伴随着信号通路异常,推动细胞转化进程
[16-24]。
2 核心信号转导网络的重构与协同调控
2.1 NF-κB与ERK的双重输入调控AP-1活性
环形泰勒虫感染可诱导宿主基因组发生突变,而信号通路是将基因组变异变为宿主细胞转化表型的核心环节。NF-κB与AP-1两大信号通路的协同激活既是细胞永生化的基础,又受虫体分泌蛋白直接调控,形成上游信号启动至下游转录的完整致病轴
[25]。感染初期,虫体活化IκB激酶(IKK)复合体,促进IκBα磷酸化降解,释放NF-κB(p50/p65异源二聚体)入核,启动靶基因转录
[26]。其次,虫体诱导TNFα自分泌激活JNK通路,异常激活ATF-2等转录因子,进而稳定AP-1复合物
[27]。NF-κB激活可上调MAP4K4及ERM等细胞骨架调节蛋白,MAP4K4是NF-κB下游的关键激酶,通过磷酸化修饰进一步激活JNK信号,影响细胞增殖;而ERM蛋白连接肌动蛋白细胞骨架与细胞膜,维持宿主细胞迁移能力
[28]。当机体或细胞受到外界因素(炎症因子、DNA损伤及特定的药物)时,NF-κB与AP-1的协同作用可减弱AP-1对MMP9等侵袭基因的特异性激活,降低细胞传播力,体现该调控的情境依赖性
[29]。此外,虫体分泌蛋白参与信号通路劫持,如TaSDP与小泰勒虫(
Theileria parva)TpSCOP为同源蛋白,后者可激活NF-κB通路,提示TaSDP或具类似功能,但具体机制尚待阐明
[30]。TaPIN1蛋白可分泌至宿主胞质,结合泛素连接酶FBW7并抑制其对c-JUN的降解,从而稳定c-JUN,促进AP-1持续激活与细胞转化
[31]。Ta9蛋白可靶向识别感染牛体内的CD8⁺T细胞,凭借较强的细胞毒性间接提升AP-1的转录活性,从免疫层面参与通路调控
[32]。
ERK1/2介导的MAPK通路是AP-1活化的另一关键通路。环形泰勒虫能特异地重塑宿主细胞磷酸化修饰图谱,ERK1/2是该过程的关键调控节点;阻断ERK1/2会显著下调FOSL2、JUNB的表达与磷酸化水平,证实其正向调控AP-1活性,而该通路与NF-κB、PI3K/AKT的交互作用仍未阐明
[26]。该ERK-AP-1轴在感染过程中具有多重生物学效应:ERK1/2被抑制可减弱M1型促炎表型(TNF-α↓、IL-12↓),JNK持续激活促进M2型极化(IL-10↑、TGF-β↑),二者协同实现虫体免疫逃逸
[33]。其次,虫体膜表面的热休克蛋白70(HSP70)同源物可通过TLR4-MyD88通路激活ERK-AP-1轴,进而上调cyclin D1和CDK4表达,推动细胞周期G1/S期转换
[7],并通过上调端粒酶逆转录酶维持细胞永生化
[34]。此外,多种虫体蛋白参与MAPK通路的稳态调控:TaPIN1稳定c-Jun以激活AP-1,TashAT家族可能参与该调控网络
[7]。靶向Ta9截短体的重组疫苗可阻断虫体与宿主Hck蛋白结合,恢复MAPK-AP-1通路正常功能
[35-36]。综上,虫体通过激活NF-κB上调MAP4K4并激活JNK,从而调控MAPK/AP-1通路;而ERK激活的AP-1与NF-κB协同调控下游靶基因转录,诱导宿主细胞增殖。然而,ERK1/2与NF-κB或PI3K/AKT之间是否存在直接调控,以及PI3K/AKT在转化中的具体作用机制仍不明确,需进一步研究。
2.2 PI3-K-AKT通路介导的转化机制
PI3K-AKT/mTOR通路相关基因在感染细胞中显著富集,尤以PI3KR3的特异性高表达为特征,经PI3K抑制剂LY294002处理或布帕伐醌(Bw720c)杀虫后,PI3KR3表达显著降低,感染细胞表现出明显的增殖抑制与凋亡启动
[37]。虫体通过分泌效应蛋白催化PIP2向PIP3转化,诱导AKT在Ser473位点持续性磷酸化,进而激活NF-κB,保护其免受转化过程中自发凋亡
[38]。而活化的AKT进一步与bHSP90、bTERT构成三元复合物,通过促进bTERT的磷酸化、激活及核转位,重激活端粒酶以延长端粒,阻断宿主复制性衰老,实现永生化转化
[9]。因此,靶向干预策略(如HSP90抑制剂新生霉素)可通过破坏AKT‑bHSP90‑bTERT复合物形成,下调p-Akt水平并抑制端粒酶活性,实现对感染细胞的选择性清除
[39]。此外,裂殖体表面蛋白TaSP和p104通过介导寄生虫-宿主细胞骨架互作,并在特定细胞周期发生磷酸化,形成稳定信号平台,持续招募和激活PI3K-AKT复合物
[40]。这种持续激活不仅间接抑制p53通路,降低DNA损伤修复能力,还导致转化细胞中富集大量涉及ROS1、FLT4及PI3K-Akt通路的体细胞突变
[6]。
2.3 通路与其他调控层面的关联
虫体依赖TaPIN1、Ta9、TaSP等分泌蛋白持续激活NF-κB、ERK/AP-1、PI3K-AKT通路
[30-32,40]。活化的AKT可反向激活NF-κB,并通过JNK、ERK协同调控转录因子AP-1,形成紧密的信号网络,连接上游基因组信号与下游病理应答:PI3K-AKT通路抑制p53通路活性,降低DNA损伤修复能力,引发ROS1、FLT4等基因突变累积;通路异常诱发代谢紊乱与氧化应激,加剧基因组不稳定性
[6,37-38]。其次,ERK-AP-1与AKT协同调控细胞周期和端粒酶活性,诱导细胞转化;MAPK通路参与巨噬细胞极化,ERK1/2抑制M1型促炎反应,JNK则促进M2型极化,免疫微环境的改变又支撑通路的活化
[5,7,33]。因此,以信号通路为纽带,连接基因突变、氧化应激、免疫紊乱等多因素,共同介导宿主细胞转化与全身病理损伤。
3 表观遗传与转录后调控核心
3.1 组蛋白与 RNA表观遗传修饰
信号通路对基因表达进行初始调控,表观遗传与转录后机制通过重塑染色质状态与mRNA稳定性,将瞬时信号刺激转化为稳定的转化表型。虫体感染会重塑H3K27me3全基因组分布模式,修饰区域由局部窄峰变为大片染色质结构域、整体丰度显著上升,使细胞对PRC2抑制剂产生脱敏效应
[8]。组蛋白修饰还存在空间区室化特点,即核质富集H3K27me3、H3K9me1/2等抑制性标记,而虫体-宿主核互作界面周围则富集H3K4me3、H3K18me1及H3K27ac等激活性标记
[41]。虫体TaSETup1介导的H3K18甲基化可抑制基因表达,KDMi抑制剂可干预此过程并影响分化
[42]。而虫体编码的TaHDAC1可维持染色质乙酰化平衡,是调控虫体发育的潜在靶点
[43]。此外,除组蛋白修饰外,RNA表观遗传修饰亦在转化中发挥重要作用。感染细胞m⁶A甲基化水平与增殖速率正相关,通过稳定E2F4等mRNA促进细胞周期转运,并揭示HIF-1α可招募p300乙酰转移酶,上调H3K27ac等激活性标记,从而建立细胞代谢与表观遗传调控间的核心联系
[11,44]。
3.2 miRNA介导的转录后调控网络
宿主微小RNA(miRNA)是转录后调控的核心分子,差异表达的miRNA主要靶向JNK、PI3K-Akt、MAPK等通路,影响宿主表型。在转化细胞中bta-miR-2285t、 bta-miR-34a和bta-miR-150等miRNA表达显著上调,且差异表达主要富集在MAPK等信号通路
[9]。研究表明,bta-miR-155抑制DET1蛋白,导致JNK/c-Jun通路持续活化,引起被感染的细胞无限增殖
[45];bta-miR-34c-3p通过抑制prkar2b导致PKA通路失活,加剧细胞侵袭迁移
[46];miR-126-5p显著下调DLK1蛋白表达,进而激活JNK通路,促使下游靶基因转录
[47]。此外,细胞外囊泡(EVs)可在细胞间传递miRNA与蛋白分子,环形泰勒虫耐药株感染牛的血清EVs中筛选出239种共有miRNA组分,其中65种为未感染牛特有(如bta-let-7d),58种为感染特异性(如bta-miR-206上调6.35倍)
[48]。这些EVs可转运虫源蛋白与miRNA实现细胞间信号,在全身范围内重塑利于虫体存活的抑制性免疫微环境,参与调控宿主细胞转化进程
[49]。
3.3 表观调控与其他层面的关联
宿主信号通路持续活化会诱发表观遗传现象,而表观修饰与miRNA表达变化又反向维持通路活性。虫体分泌的TaHDAC1、TaSETup1等表观修饰酶能够改变组蛋白修饰特征与重塑染色质构象
[42-43],并诱导bta-miR-155、miR-126-5p等miRNA异常上调
[45,47],从而持续激活NF-κB、MAPK/JNK、PI3K-AKT通路,将短暂刺激转变为稳定的细胞转化表型
[25,31,37-38]。此外,细胞外囊泡可携带miRNA完成细胞间传递信号
[48-49],重塑全身免疫抑制微环境,免疫失衡又进一步增强通路活化
[25,31,37-38,42-43,45,47-49]。
4 宿主系统性病理响应
4.1 免疫调控
环形泰勒虫感染可引起细胞免疫应答、细胞应激与自噬过程,保障其胞内寄生与增殖
[50]。虫体激活宿主下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA轴),导致糖皮质激素释放,长期作用下引发免疫紊乱,为虫体寄生提供有利生存条件
[51]。在慢性感染阶段,宿主炎症稳态被显著破坏,患病牛血清中Hp和PCT含量显著升高,提示机体存在持续性全身性炎症
[52];且显著下调NOD1、NLRP3、CASP1表达,而上调IL-1β表达,引起炎症小体功能失调,进而加剧组织损伤
[53]。在急性感染期,虫体还显著抑制IL-2介导的免疫应答,下调CD8⁺T细胞表面受体CD2的表达,阻碍T细胞接收增殖与分化信号而功能受损
[54]。被感染的抗原呈递细胞(APCs)异常高表达MHC II类分子,引发T细胞过度活化与免疫稳态失衡,进而抑制B细胞成熟及抗体生成,导致宿主体液免疫与细胞免疫应答均受到严重抑制
[55]。针对环形泰勒虫复杂的胞内感染周期,多表位重组蛋白疫苗通过结合子孢子和裂殖体阶段的特定抗原表位,可同时激活体液免疫与细胞免疫应答,进而恢复T、B细胞的正常免疫功能
[35,56]。综上,这种复杂的免疫调控机制,其病理意义核心在于驱动宿主细胞转化:不仅确保虫体在宿主体中长期定植,更导致宿主细胞器(如线粒体)功能失调而引起氧化应激,驱动细胞的异常增殖与转化。
4.2 氧化应激
环形泰勒虫感染可显著扰乱宿主氧化应激稳态,二者存在紧密的调控关联。细胞内活性氧(ROS)异常累积,可直接损伤线粒体结构与功能,诱发DNA氧化损伤;并且持续激活缺氧诱导因子1α(HIF1α)加重慢性炎症,炎症反应又促进ROS生成,进而导致机体多组织广泛性氧化损伤
[57]。感染环形泰勒虫的动物体内CAT、PON1等抗氧化酶活性显著降低,MDA水平升高,提示氧化应激持续加剧
[58]。研究发现,H₂O₂介导的氧化应激强度与虫体的毒力显著相关,与强毒株相比,感染减毒虫株的巨噬细胞产生H₂O₂的能力显著增强
[59]。氧化应激还会诱发严重的靶器官损伤,其中神经损伤表现尤为突出。患病牛血清中神经元特异性标志物S100B、GFAP和Tau蛋白浓度显著上调,证实氧化应激可诱发神经炎症、破坏血脑屏障,进而造成脑组织炎性浸润与神经细胞凋亡
[60],该过程可协助免疫紊乱,促进细胞转化,为虫体寄生创造条件。氧化应激失衡是该病重要病理特征,天然活性物质成为靶向调控氧化应激的理想候选药物,青蒿素衍生物、熊果酸和姜黄素等天然药物通过显著上调ROS水平,诱导线粒体途径的细胞凋亡,实现对虫体细胞的清除
[61-63]。
4.3 自噬逃逸机制
异源自噬(Xenophagy)是宿主清除胞内病原体的重要先天免疫防线
[64],环形泰勒虫通过多重机制抑制自噬进程,并利用宿主自噬相关蛋白完成自身寄生,实现自噬逃逸。虫体将真核翻译起始因子5A(eIF5A)锚定于其表面,阻碍底物泛素化与p62募集,抑制自噬体成核;激活AMPK可恢复eIF5A正常功能,重启自噬并清除虫体
[12]。其次,虫体持续激活ERK1/2-RSK-TSC2轴,解除TSC2对mTORC1的抑制作用,从上游阻断自噬启动过程;抑制ERK1/2活性诱导感染细胞凋亡,证实该通路对免疫逃逸至关重要
[7]。虫体表面蛋白p104将宿主JNK2滞留于细胞质,阻断线粒体ARF介导的保护性自噬,从而促进感染巨噬细胞的增殖;虫体被药物杀死后,裂解物会被LC3阳性结构吞噬,且LC3蛋白在宿主细胞质与虫体内部共定位现象
[65]。此外,虫体编码的周期蛋白依赖性激酶7(TaCDK7)的抑制剂升麻素,可诱导宿主细胞自噬发生,有效抑制宿主细胞转化
[66]。相比之下,姜黄素处理可通过依赖ROS通路上调酸性液泡数量、促进LC3B脂化并抑制mTOR磷酸化,而NAC预处理可完全逆转上述效应,证明自噬是调控感染细胞存活与凋亡的关键枢纽
[63]。
4.4 病理响应与其他三层面的关联
虫体激活NF-κB通路引发慢性炎症,同时激活宿主HPA轴抑制免疫细胞功能
[25,51]。机体中NOD1、NLRP3等炎症小体功能失调,同时感染细胞异常高表达MHCII分子,造成T、B淋巴细胞双重免疫功能缺陷
[53,55]。免疫紊乱导致胞内ROS蓄积、抗氧化酶活性降低,引起DNA与线粒体损伤,进而加重宿主基因组不稳定性,而HIF1α被激活后,又加剧炎症反应,形成炎症与氧化应激恶性循环
[11,57-59]。为实现胞内寄生,虫体利用eIF5A及ERK1/2-RSK-TSC2-mTORC1通路阻断自噬来实现逃逸
[12,65];而AMPK通路激活可逆转该过程。此外,炎症与氧化应激又进一步强化ERK、PI3K/AKT等通路的活性
[26,37-38],加速宿主细胞转化进程;而异常的信号通路还会重塑组蛋白修饰
[8,42-43]、改变miRNA表达谱
[45,47-49],通过表观遗传调控将瞬时病理刺激转化为稳定的转化表型。
5 小结与展望
环形泰勒虫诱导宿主细胞转化并非单一信号通路激活的结果,而是对宿主细胞多维度网络的协同操控。虫体裂殖体通过分泌效应蛋白(如TaSP、TaPIN1、组蛋白修饰因子等),以基因组突变奠定细胞转化的遗传基础,调控宿主PI3K/AKT、NF-κB等信号通路、表观遗传修饰及miRNA网络;同时通过干扰免疫应答与炎症、诱导氧化应激及劫持自噬通路,激活AP-1、ERK1等关键转录因子,从而促进转化细胞增殖与存活(
图1)。该过程由四大模块协同完成,基因组突变与信号通路正反馈,信号通路介导病理应答与表观重编程,表观遗传调控与病理应答又反向增强通路异常及基因组不稳定性,构成完整调控网络。
尽管宿主细胞内NF-κB、AP-1及PI3K/AKT等经典信号已被反复验证,但虫体效应蛋白靶标机制、亚细胞定位及宿主互作机制仍在探索阶段,且存在自噬、氧化应激与免疫调控的体内协同机制,以及表观修饰、基因突变与信号转导间的深层交叉,均缺乏确凿的体内实证数据。此外,Cyt b等靶点的耐药突变在全球范围内频发,多重耐药基因型的风险升高,进而增加了药物与疫苗研发的难度;且靶向TaPIN1及Ta9等分泌蛋白,开发特异性小分子抑制剂与多表位疫苗,是突破当前化疗耐药瓶颈的关键。因此,在未来研究中,应建立体内外模型系统以阐明ERK、NF-κB、PI3K/AKT等通路间的交互作用及其在感染中的生物学意义,并填补效应蛋白机制与体内协同调控的研究空白;其次,着力于验证TaPIN1、Ta9等候选靶点的必需性,为后续设计多靶点联合干预策略,以克服单药耐药;同时,未来需积极利用空间转录组、单细胞测序与活细胞成像等前沿技术,在亚细胞分辨率下,实时解析效应蛋白的转运、定位及其与宿主的动态互作关系。
国家自然科学基金项目(32460892)
宁夏自然科学基金项目(2023AAC02017)