综述：灵长类免疫反应策略的分类学变异

《Genes & Immunity》：Taxonomic variation in immune response strategies among primates

本综述系统梳理了灵长类免疫反应策略的分类学变异，指出当前研究主要集中于少数物种（如黑猩猩、猕猴），而近500种灵长类在免疫细胞比例、先天/适应性免疫偏好等方面存在显著差异。作者重点探讨了细胞表面受体（如TLR4、MHC、TRIM5）的进化选择、功能基因组学方法（如RNA-seq、iPSC）的应用，以及炎症生物标志物（如新蝶呤、suPAR、IgA）在表征系统免疫反应中的作用，强调整合生命史数据与免疫表型对于理解人类免疫进化及全球健康具有重要意义。

　　

灵长类免疫反应策略的分类学变异

引言

识别和中和入侵病原体的细胞反应是生存和维持稳态的重要组成部分——这是先天免疫的基本原理。有颌脊椎动物是已知唯一进化出适应性免疫的动物，其利用免疫球蛋白和T细胞受体启动抗原特异性反应。理解灵长类这一脊椎动物分支中免疫的进化，是理解人类免疫、健康和疾病许多方面的关键背景。在非人灵长类动物（以下简称灵长类）中，先天和适应性免疫的机制已得到相对充分的研究，特别是在与特定病原体如猿/人类免疫缺陷病毒（SIV/HIV）相关的方面。然而，我们对灵长类免疫的了解大多来自少数物种，主要是黑猩猩和猕猴，它们几十年来一直是生物医学测试的对象。目前已有近500种被命名的灵长类物种，具有巨大的生态、地理和系统发育多样性。近十年来，很大程度上由于开发出多种新方法来检查不同灵长类物种的免疫反应，我们开始更深入地了解灵长类应对病原体和疾病的多样化方式，以及可能影响这些策略的因素。

灵长类的先天免疫和适应性免疫

先天免疫通过读取非宿主细胞上的分子模式来识别和摧毁入侵病原体。它是对入侵者的主要防线，在病原体进入体内后几乎立即开始。中性粒细胞和巨噬细胞是最丰富的先天效应细胞，自然杀伤淋巴细胞也扮演重要角色。巨噬细胞——吞噬病原体的大细胞——利用几种细胞表面受体来识别外来分子。这包括Toll样受体（TLR），它们对于在更广泛的灵长类免疫背景下理解人类进化尤为重要，因为TLR在我们包括人类在内的大猿谱系中一直受到正选择。TLR是识别病原体相关分子模式（PAMP）的细胞表面配体，PAMP是细菌、病毒、大型寄生虫和原生动物分子的常见标志。在最初的模式识别之后，巨噬细胞释放化学信号以招募其他免疫细胞。

中性粒细胞占人类循环免疫细胞的50%以上——这一比例高于其他灵长类动物——它们被来自巨噬细胞和感染组织内衬的内皮细胞的化学信号招募到感染部位。与存活数周的巨噬细胞不同，中性粒细胞通常仅能功能1-2天，并且主要在血液循环中工作，而不是在组织内部。当前的研究旨在理解为何人类产生更高水平的这些短命、耗能巨大的免疫细胞，即使与其他大猿相比也是如此。中性粒细胞使用细胞表面TLR识别并中和入侵者，然后吞噬外来细胞。除了吞噬病原体，中性粒细胞还可以抛射细胞外陷阱来捕获病原体，并产生对入侵者致命的活性氧物种。

与仅对一组常见外来分子模式作出反应不同，适应性免疫反应——仅存在于有颌脊椎动物——训练免疫细胞针对每种独特病原体的细胞表面分子。这为宿主提供了优势，特别是当病原体可能不显示典型分子模式或以其他方式逃避先天免疫系统时。这种训练是一种权衡，因为适应性反应需要数天而非数分钟才能建立起来。然而，这种针对独特细胞表面分子或抗原的定制反应，帮助有颌脊椎动物栖息于全球微生物变异度高的广泛环境中。灵长类的主要效应细胞是T细胞和B细胞，它们有许多亚型。通常，T细胞是细胞毒性效应器，杀死显示抗原的病原体和受感染细胞。B细胞分化为浆细胞，浆细胞分泌与抗原结合并杀死病原体的抗体。

细胞表面受体的变异

灵长类免疫学研究在方法上多种多样且变化迅速，特别是在用于检测编码特定免疫细胞表面受体的基因自然选择的系统发育分析方面。由于本综述关注灵长类之间的分类学差异，我们特别关注这些方法对更广泛系统发育理解的相关性。系统发育分析为了解灵长类谱系中基因突变发生的时间和共同祖先提供了宝贵的见解。这对于重要的细胞表面免疫细胞受体尤为相关，因为它们处于宿主-病原体界面的前沿。细胞表面分子的变异最初通过SIV/HIV研究成为灵长类免疫学的焦点，因为其对人类HIV治疗和预防具有潜在意义。

超过40种灵长类动物有记载的物种特异性SIV类型，在人类中被称为HIV。这些病毒攻击并在辅助性T细胞内复制。在少数几种灵长类动物中，SIV可导致致命的获得性免疫缺陷综合征（AIDS）。奇怪的是，在大多数其他灵长类动物中，未观察到SIV进展为AIDS，这意味着这些灵长类动物似乎携带SIV感染而生活，没有产生有害的健康影响。这使非人灵长类动物成为治疗和治愈HIV研究的关键，并形成了灵长类免疫学中最悠久的研究传统之一。大多数感染SIV的非人灵长类动物不会发展成AIDS，而人类几乎总是会。研究人员仍在探索其原因，这是一个复杂的问题，因为在坦桑尼亚贡贝国家公园的一些野生黑猩猩中记录了类似AIDS的疾病。这意味着对SIV感染的耐受性在非人灵长类动物中也并非普遍存在。这进一步强调了研究广泛灵长类物种以理解免疫防御多样性的必要性。

主要组织相容性复合体（MHC）代表了灵长类分类群间变异的另一个重要位置——事实上，它是灵长类中存在的最多态性基因家族之一。MHC编码细胞表面蛋白，这些蛋白与源自病原体的片段结合，这些片段显示在细胞表面被T细胞受体识别。这里我们讨论MHC I类和II类，它们是MHC基因中最具多态性的，并直接参与抗原呈递。MHC I类分子存在于体内大多数细胞表面，在先天免疫、适应性免疫和生殖中的胎盘形成中发挥作用；MHC II类分子主要存在于抗原呈递细胞（树突状细胞、巨噬细胞和B细胞）表面，主要执行适应性免疫功能。MHC I类比II类进化更快，可能是因为其功能多样——由于这种快速进化，只有大猿才拥有所有多态性人类MHC I类基因（称为人类白细胞抗原HLA-A、HLA-B和HLA-C）的严格直系同源物。

作为识别病原体的第一道防线，Toll样受体（TLR）的胞外域不断与病原体的细胞表面受体相互作用。因此，TLR与病原体逃避这种识别之间应该存在一场进化竞赛。虽然几项检查灵长类进化过程中核苷酸替换率的研究在大多数TLR基因中检测到正选择，但TLR4在不同物种数据集规模的多项研究中 consistently 显示出最强的选择特征。一项研究发现，细胞表面蛋白TLR4的胞外域在所有大猿的谱系中受到特别强的正选择，并且在 gorilla 谱系与大猿分开后再次受到正选择。另一项类似的研究，观察了TLR基因编码胞外域以外的更多部分，发现最强的正选择存在于TLR4，位于非洲和亚洲猴类及猿类共享的谱系内。TLR4是负责识别锥虫原生动物和细菌脂多糖（革兰氏阴性菌上发现的一种蛋白质）分子足迹的Toll样受体。

灵长类功能基因组学

功能基因组学将基因与其表达和下游表型联系起来。基本技术包括RNA测序（RNA-seq）和表达微阵列，用于表征体外组织中不同时间点和/或实验条件下的全基因组表达水平。此外，该领域正受到诱导多能干细胞（iPSC）和大规模平行报告基因分析（MPRA）等新技术的推动。与系统发育研究结合使用，可以绘制功能变化在进化时间中发生的位置，为进化性状的影响提供证据。在灵长类免疫学的背景下，这有助于回答诸如每个物种是否更依赖先天免疫或适应性免疫、为何物种间产生的免疫细胞相对比例不同、或是什么导致相同病原体入侵时系统性炎症水平不同等问题。理解哪个分类学组织层次解释了最多的变异，可以为这些差异在灵长类进化史中为何演化提供线索。

最近结合系统发育分析和功能基因组学的工作揭示了革兰氏阴性菌在大猿谱系中造成的选择压力。此外，与人类健康特别相关的是，这项工作包含了对为何人类对革兰氏阴性菌蛋白脂多糖（LPS）的刺激具有异常强烈免疫反应的潜在解释。即使小剂量的LPS也能在人类中诱导强大的免疫反应并引发败血症，这是一种极端的宿主免疫反应，导致组织损伤和器官衰竭。然而，非洲和亚洲的猴类和其他猿类需要比人类高一个数量级的LPS剂量才能诱导出类似程度的败血症。一项将灵长类体型大小与LPS反应强度相关联的研究（涵盖九个物种，体重跨度超过三个数量级）表明，体型大小可能解释了部分这种变异。体型较大的生物体倾向于对LPS刺激产生夸大的先天免疫反应。具体来说，该研究使用RNA-seq测量了对此刺激的先天免疫基因的转录表达，并发现较大生物体中基因表达水平的不成比例增加。然而，由于人类和猿类的体重仅由一个人和一只苏门答腊猩猩代表，这项研究可能没有足够的能力检测到可以解释为何猿类需要比人类高一个数量级的LPS剂量才能诱导败血症的基因表达差异。因此，需要更多的工作来确定体型大小、分类学（在相似体型类别内，如人类与其他猿类）以及其他影响种间变异性的因素的相对贡献。

组织培养是一种允许在体外表征遗传变异在实际灵长类细胞中功能影响的方法，是比使用活体生物更安全地研究细胞反应的常用技术。使用多物种基因表达微阵列（追踪整个基因组中转录RNA的表达水平），Barreiro及其同事鉴定了793个在人类、黑猩猩和恒河猴的组织中经细菌LPS分子体外刺激后高表达的基因。其中许多基因参与TLR4病原体识别反应。类似地，一项关于CEACAM3受体的研究（该受体帮助中性粒细胞识别危险细菌如埃及嗜血杆菌和幽门螺杆菌）在猿类及非洲和亚洲猴类共享的谱系中鉴定了CEACAM3基因的不同版本，但发现它在新大陆猴中完全缺失。与TLR4一样，他们发现与病原体直接相互作用以帮助免疫细胞识别它们的CEACAM3蛋白的胞外部分变异性最高。这个胞外域在猿类及非洲和亚洲猴类的祖先中也显示出正自然选择的统计证据。关键的是，Adrian及其同事随后研究了这些不同版本CEACAM3蛋白的结合能力（识别幽门螺杆菌），证实这些遗传变异确实改变了不同灵长类分类群识别细菌病原体的能力。

Hawash及其同事通过一项体外研究，表征了人类、黑猩猩、橄榄狒狒和恒河猴的先天免疫细胞对细菌和病毒的免疫基因表达。他们的分析围绕将这些物种分为两个系统发育类别：猿类 vs. 非洲和亚洲猴类。在对细菌LPS和gardiquimod（模拟单链RNA病毒）刺激的反应中，RNA-seq的转录谱表明，非洲和亚洲猴类对LPS或gardiquimod条件的配体特异性靶向作用是猿类的三倍。他们发现猿类基本上产生比非洲和亚洲猴类更强但病原体特异性较低的免疫反应。他们的方法和结果的系统发育框架是未来研究的一个有前途的途径。更广泛的分类群样本将统一功能和系统发育方法，并揭示这些免疫反应策略差异背后的进化原因。

扩大物种代表性的一个主要障碍是难以获得用于功能研究的细胞系。诱导多能干细胞（iPSC）提供了一个解决方案，因为它们可以分化为通常难以从活体灵长类收集的组织，有助于弥合这一差距。iPSC也是可再生的，长期保存对这些组织的获取。这对于涉及猿类的功能研究尤其有价值，因为在美国不再允许从黑猩猩身上收集组织。其他新方法，如大规模平行报告基因分析（MPRA），可以同时测试数千个基因组片段如何影响基因调控活性。MPRA可以在灵长类细胞系中筛选增强子功能（增强子是增加靶基因转录输出的DNA区域），提供转录调控的全基因组图谱。这在进化背景下很重要，因为许多功能研究主要涉及蛋白质编码基因。然而，非编码调控区域占灵长类基因组的绝大部分，无疑也受到病原体和其他进化约束的选择压力。

使用炎症生物标志物表征系统性免疫反应

最近有一种推动力，旨在理解灵长类免疫在系统水平（即涉及多种免疫细胞类型）上如何沿分类学界线变化，超越表征单一类型的免疫细胞受体。除了统计系统发育学或体外检测的功能基因组学外，在活体灵长类动物的完整身体系统背景下研究免疫学也很重要。采样炎症生物标志物（侵入性和非侵入性）是研究灵长类动物和人类系统性免疫反应差异的常用关键方法，我们在本综述的这一部分进行探讨。

免疫衰老和炎症增加是人类衰老过程中涉及的两个关键过程，是进行更广泛系统发育比较免疫功能的有前景领域。除了人类之外，大多数研究发生在作为非洲和亚洲猴类代表的恒河猴身上。两项恒河猴研究，一项关注中性粒细胞、嗜碱性粒细胞和单核细胞等先天免疫细胞的免疫衰老，另一项关注T细胞和单核细胞，通常报告恒河猴与人类相似，在老年时表现出免疫衰老。例如，Asquith及其同事指出，随着年龄增长，初始T细胞减少和终末分化T细胞增加的趋势相似。此外，在波多黎各卡约圣地亚哥的自由放养雌性恒河猴中，血清促炎性白细胞介素-1受体拮抗剂（IL-1Ra）细胞因子水平与年龄呈正相关，但与雌性繁殖状态无关。猕猴和人类衰老模式的相似性可能直接反映了简鼻猴类免疫衰老的进化趋势，或者可能是由于狐猴类和简鼻猴类之间寿命更长和其他不同的生命史策略造成的副产品。

将衰老研究扩展到猕猴之外，已经为哪些其他灵长类群体反映了人类的衰老，以及这些差异是否仅由寿命造成提供了一些见解。例如，关于狐猴类先天免疫细胞和T细胞的免疫衰老知之甚少，这凸显了在此背景下将调查扩展到更多物种的重要性。然而，在一些狐猴类物种中已经考虑了其他与衰老相关的过程，如炎症。与人类和恒河猴不同，一项对圈养柯氏原狐猴和环尾狐猴的年龄相关炎症研究发现，没有证据表明年龄是炎症生物标志物或氧化损伤增加的预测因子，尽管这两种狐猴具有不同的生命史策略（例如，原狐猴比狐猴寿命更长，生殖成熟更晚）。这表明将狐猴类研究扩展到包括先天免疫细胞和T细胞的免疫衰老，将非常能揭示灵长类动物免疫衰老的系统发育差异，特别是在狐猴类与简鼻猴类之间。

不幸的是，目前很难比较分类学特异性免疫功能差异并对其进行纵向监测，特别是在位于偏远地区的自由放养种群中。大多数体内研究是在适合进行侵入性生物样本采集（例如，抽血）的灵长类种群上进行的，这需要捕获和麻醉，这些是压力大的程序，在野生种群中安全实施可能很困难，特别是在树栖物种中。最近，更多的研究利用非侵入性免疫功能标记来促进未被充分研究的物种（如狐猴类和新大陆猴类）纳入免疫学研究。几种生物标志物，特别是尿新蝶呤、尿suPAR和粪免疫球蛋白A（IgA），已在灵长类动物中得到成功验证，并为野生灵长类种群的非侵入性免疫学研究提供了有前途的途径。

新蝶呤是一种主要由先天效应细胞（如巨噬细胞）排泄的生物标志物，是目前灵长类野外研究中使用最广泛的免疫生物标志物。Higham及其同事验证了新蝶呤作为灵长类病毒感染的可靠指标，并说明了血清和尿新蝶呤值之间的强相关性，为新蝶呤用于非侵入性研究铺平了道路。尿新蝶呤随后在一系列分类群（例如，猿类、非洲和亚洲猴类以及新大陆灵长类）中得到验证，现在被认为是免疫衰老的可靠标志物，并且是栖息地质量和环境条件（如温度）的可能指标。此外，新蝶呤水平的增加与野生黑猩猩和倭黑猩猩急性呼吸道疾病爆发相关，而较低的新蝶呤水平与野生狮尾狒狒胃肠道蠕虫丰富度增加相关。新蝶呤水平也与SIV感染的山魈的感染结果相关。这些发现共同证明了新蝶呤在广义免疫激活和疾病特异性研究中的实用性。

尿suPAR是一种促炎生物标志物，也可以在尿液中非侵入性地测量；然而，它的使用研究较少，并且仅被验证用于恒河猴。尿suPAR是尿激酶纤溶酶原激活物受体的可溶性形式，该受体是尿激酶蛋白（uPAR）的结合位点，uPAR是一种存在于先天和适应性效应细胞上的酶，在细胞重塑中起关键作用。与新蝶呤对组织损伤反应最小不同，尿suPAR被证明能反映手术造成的组织损伤，可能使其成为非侵入性监测伤口严重程度和愈合的有用生物标志物。然而，尿suPAR对病毒感染的反应弱于新蝶呤，并且不能反映免疫功能的年龄相关变化。因此，尿新蝶呤和suPAR可能指示不同的免疫过程，并可能用于评估对不同免疫扰动（例如病毒感染与伤口愈合）的免疫功能的分类学特异性差异。

与新蝶呤和suPAR不同，免疫球蛋白A（IgA）是对粘膜免疫至关重要的抗原，有助于保护上皮免受机会性病原体的侵害。粪IgA specifically 代表胃肠道中分泌型IgA的量，并已被证明反映肠道粘膜免疫系统的功能。与测量系统性免疫激活的尿新蝶呤和suPAR相比，粪IgA是一种有前途的生物标志物，用于量化特定于胃肠道的免疫功能，胃肠道不断暴露于毒素和肠道病原体，包括肠道寄生虫。例如，较高的IgA与野生狒狒中较低的鞭虫寄生虫卵计数相关。粪IgA也可能是研究胃肠道微生物组与宿主免疫力之间关系的理想生物标志物，以扩展我们对微生物群落如何协助宿主免疫功能发育和维护的理解。粪IgA主要被用作圈养灵长类动物的压力标记，因为长期升高的皮质醇水平会导致免疫抑制，降低粪IgA。在野生黑猩猩中，粪IgA反映了与呼吸道疾病相同的季节性模式，在旱季晚期粪IgA水平较高，这一时期通常与较高的呼吸道感染率相关。然而，这项研究还指出，营养压力和寄生虫感染的季节性变化可能与IgA浓度相关。此外，Behringer及其同事从他们对巴巴利猕猴的研究中告诫，粪IgA对下丘脑-垂体-肾上腺轴活动的强反应性可能限制将IgA作为免疫力衡量指标的可解释性。因此，需要更多的工作来确定粪IgA是否是灵长类动物免疫系统功能的合适生物标志物。扩大物种代表性的工作，如最近在红额狐猴中所做的IgA验证研究，将有助于在更多灵长类物种中表征IgA的免疫学相关性。

未来展望

本综述说明，虽然由于缺乏灵长目许多物种的数据，我们对灵长类免疫进化的理解仍存在足够的空白，但现有数据提供了免疫反应变异的引人入胜的证据，这种变异广泛地沿着分类学划分发生。我们提出，免疫反应和随年龄衰老的分类学差异可能受到生命史差异的影响。

例如，识别革兰氏阴性菌上脂多糖的TLR4胞外域的正选择，以及更依赖广义先天免疫强度而非特异性的证据，表明在大猿祖先环境中可能存在多种细菌病原体作为选择压力。然而，大猿的栖息地范围与许多非洲猴类重叠，表明需要考虑其他因素。大猿表现出比其他灵长类明显更长的后代发育期，这将增加生命早期暴露于病原体（包括细菌）的机会。因此，在发育期间更强的先天免疫反应——尤其是尚未受到免疫衰老影响的反应——将需要进化出适应免疫强度的机制和改进的TLR4识别能力。众所周知，人类儿童具有更强的先天免疫反应，并且依赖这种广义的方法来对抗病原体，而不是适应性免疫的特异性。也许与其他灵长类相比，大猿延长的童年选择出了强大的先天免疫能力，并反复选择出改进的TLR4识别能力。

为了检验这一假设，应在大猿中确认可比较的免疫衰老模式，以便与恒河猴研究进行有用的比较，并研究更多种类的非洲和亚洲猴类。例如，猩猩将是这方面一个有趣的研究对象。它们拥有所有大猿中最长的发育期，但社会性最低，可能减少了在高密度种群中传播性更强的某些病原体的暴露。一个包含免疫反应策略功能基因组学和生命史数据的更大、物种多样性更丰富的数据集，将有助于解释大猿的这些特化，特别是考虑到两种狐猴类与人类和猕猴在年龄相关炎症模式上存在的潜在差异。

最近检测选择的计算方法进展可能提供额外的见解——例如，专门检测调控区域（如转录因子结合位点）中定向选择的方法，可以突出与蛋白质编码区域不同的进化约束。此外，像Ornstein-Uhlenbeck这样具有系统发育意识的模型可能有助于表征灵长类免疫相关性状在进化时间中的演变，因为它们最近被应用于解释物种内的遗传变异，这些变异可以模拟模型中向最优状态的稳定选择。此外，应更详细地功能表征受正选择的TLR遗传位点，通过识别这些TLR内突变在系统发育背景下的后果，将为哪些病原体对灵长类祖先谱系施加了最大选择压力提供线索。

结论

因为人类也是大猿，我们免疫反应策略的进化史对治疗人类疾病具有巨大意义。这在过去几十年对于HIV一直是一个重要的考虑，但当然对许多其他传染性和自身免疫性疾病具有广泛潜力。目前有近500种被命名的灵长类物种，因此缺乏适合跨物种比较的综合数据是目前该领域面临的最大障碍之一。目前，尚不可能推测哪个分类学组织层次解释了灵长类免疫反应策略中的大部分变异。然而，正如本综述所阐明的那样，新颖的研究可以与关于灵长类生命史策略的现有知识相结合，以指导新的研究路线。