芯片在免疫基因组学的运用

　　

    今日出版的《科学》发表Robert L. Modlin 文章Chip Shots--Will Functional Genomics Get Functional? 译文如下：当10个人感染了结核杆菌，只有一个人会得肺结核；100个人感染了疟疾，只有0.5%的人会死亡。当人们处于相同的感染源环境中，有的会发病，有的则不会发病。例如受大肠杆菌污染的食物，不同的人食用后有的会患肠炎，有的则不；又如有人感染流行性感冒可能会死掉，但有的仅仅是轻微的症状。我们如何来理解对同样感染源的易感性的多样性问题呢？在基因组时代，对这个问题的简单回答是在易感个体和有抗性个体中病原体开启了不同的基因或者是同样基因的表达差异而造成的。但是疾病易感性的多样性不能这么轻易地回答。实际上，假设的感染的选择压力对人基因组是非常强大的，在免疫系统中只有很少的基因表达，它们是与疾病的易感性相关联的；在个体基因中已知的多样性（序列差异）的效应似乎是很小的。Huang et al.比较了人树支状细胞在与三种不同的病原体（细菌，酵母，病毒）竞争时的基因表达谱。特别是，研究者想知道有病原体存在的树支状细胞对这三种病原体的挑战是否能辨别，以及这种辨别是否反映了树支状细胞与特定病原体（或它的产物）作用时的基因激活程序的唯一性。正象他们报道的，基因芯片的分析揭示了树支状细胞的基因表达根据不同的病原体而表现出不同，一些基因的表达活性甚至是专一的。

    树支状细胞是机体的先天的免疫系统的组成部分，对于这种研究是免疫细胞中很好的研究对象。它们对于启动适应性免疫（识别微生物病原体激活T和B细胞表达受体）和先天性免疫（激活嗜菌细胞嗜中性粒细胞和巨嗜细胞）。运用基因芯片技术，Huang et al.发现了在人中的树支状细胞的基因表达层次。大肠杆菌激活了685个基因，接下来是流行性感冒病毒激活了531个基因，最后是酵母(Candida albicans)激活了289个基因。在这芯片点了6800个基因靶点。在未感染的树支状细胞中约有2000个基因表达了，在感染后约有1330个基因的表达出现了变化。基于数据库的解释，这些表达的基因分成以下几类：先天或适应性免疫，免疫受体，免疫转录，糖酵解和能量，凋亡，生长因子，组织重建，细胞应激，免疫抑制。尽管这三种微生物是完全不同的生物体，但是一大部分基因（166个）都能被三种病原体激活的。一些基因激活的早一些，感染后8小时，其他的在12小时后。先天性免疫对不同的感染源都表现出程序性的反应，有一共同的基因激活核心模式。更有意思的是，观察到了病原体专一性的反应----大肠杆菌和流行性感冒病毒分别激活了118和58个基因。奇怪的是Candida不诱导任何特异性的基因表达。这暗示着只要核心基因表达就足够对抗酵母的感染。对于有效地抵抗酵母侵染，而没有在芯片上的其他基因或者除了树支状细胞外其他的免疫细胞可能也是需要的。

    为了探索这三种病原体是如何激活专一性的基因表达模式的，Huang et al.研究了培养的树支状细胞对这些病原体的反应而产生的分子产物。例如从大肠杆菌细胞壁来的脂多糖，酵母细胞壁衍生的甘露聚糖和病毒双链RNA通过特定受体识别特异性的生化途径激活先天性免疫系统。这些微生物配体只激活了整个微生物体激活基因中的一部分。一般地，活的病原体比它的配体更有力地激活基因表达。例如，大肠杆菌能诱导表达出的炎症细胞因子（肿瘤坏死因子a, p40, and IL-12 and IL-10）的mRNA和蛋白质比脂多糖诱导出的多5到10倍。奇怪的是有时通过配体诱导出的基因表达模式与整体的不相关。例如，通过酵母产生的甘露聚糖激活的基因表达模式更相似于通过大肠杆菌诱导，而与整体酵母诱导的不太象一些。但是这些告诉我们的信息是真的吗？

    在肿瘤研究中，对处于不同恶化时期的不同肿瘤的微矩阵分析产生的信息不能通过病理检查来得到辨别。例如，基因芯片已用于区分白血病，乳腺癌，黑色素瘤，有些还用于预测癌症患者的存活率。基因芯片研究已表明信号传导蛋白RhoC对黑色素瘤的转移是必需的。这些研究是与体内微生物病原体的基因表达研究平行进行的。这些研究通过几种深入的方法进行的，包括体内表达技术（IVET），分子标志和地形作图。这些技术与基因芯片技术一起来研究免疫系统对微生物病原体和它们的配体的反应，将产生重要的功能信息。

    一个病原体和它的宿主间的关系无疑是复杂的。因为侵染而使1000个基因表达发生改变以及能把这些基因分成不同的家族是清楚的，但是另一个需要知道的是哪些基因对宿主的防卫是关键，哪些促进了微生物的侵入，存活和发病机理。不同的病原体（和它们的产物）被认为是与不同的细胞受体起作用的，刺激了共同的和特异性的信号途径，并激活了一些不同的基因的表达。基因芯片的研究常被认为是功能基因组学研究，通过把在芯片上表达改变的基因的分类来推测这些基因的行为和功能。

    但是哪些被激活的基因对免疫保护是关键的，哪些与免疫反应是不太相关的，哪些是与组织伤害有联系的？芯片数据缩小了可能的范围，这是非常有价值的，但是仅有一个注解是回答不了这些问题的。Huang et al.在体外的实验确证了树支状细胞在大肠杆菌感染时产生的细胞因子能够增加嗜中性细胞和关键的炎症细胞的趋药性。它仍需要来验证细胞因子在体内是否发挥着同样的作用。

    免疫基因组学将怎样发挥它的功能？多个基因和数量效应控制着复杂的现象，如对抗感染的免疫，我们怎样来认知哪些基因发挥作用，哪些则没有？将来你的自动保健器会是怎么样，在旅行去一个地方之前用一滴血分析一下，分析一下对病原体的易感性，为你提供合适的治疗药物和疫苗？或许回答这些问题需要回复这些假设到如实验生物学能低通量途径解决上来。