脊椎动物中Mincle基因的进化：对环境压力的适应

《Current Opinion in Microbiology》：Evolution of Mincle in vertebrates: adaptation to environmental stresses

　　

三、摘要翻译 先天免疫受体作为抵御病原体的第一道防线发挥作用。C型凝集素受体（CLRs）是一类识别多种配体（包括聚糖、糖脂、蛋白质和不可溶性晶体）的先天免疫受体。其中一种CLR是巨噬细胞诱导型C型凝集素（Mincle），其可识别外源性或通常隔离的内源性糖脂。因此，Mincle既是识别病原体的必需受体，也是内源性分子的传感器。尽管Mincle的功能已被表征，但Mincle如何进化以及在每个进化阶段识别哪些配体仍不清楚。在哺乳动物中，Mincle已知是保守的，尤其是在结合糖脂配体糖基的结合域中。最近，研究人员研究了鱼类推定Mincle的序列和结构相对于哺乳动物Mincle的情况，以了解随着脊椎动物适应陆地环境，结合域发生的变化。在这篇综述中，研究人员首先描述了哺乳动物Mincle的糖脂配体的身份和结合模式。然后将讨论推定鱼类Mincle与哺乳动物Mincle之间的相似性和差异，以深入了解识别配体的范围如何变化，以及哪些压力驱动了该受体的进化。

四、论文主体内容总结

Introduction

先天免疫受体（如Toll样受体（TLRs）、C型凝集素受体（CLRs）、Nod样受体（NLRs）和Rig-I样受体（RLRs））是免疫系统区分无害共生菌与病原体并执行第一道防御的关键分子，通过检测病原体相关分子模式（PAMPs）快速诱导免疫反应以清除病原体和受损自身成分，恢复稳态。CLRs作为高度保守的先天免疫受体家族，可识别聚糖、糖脂、糖蛋白、脂蛋白、蛋白质和结晶代谢物等多种配体，因此能识别真菌、细菌和抗酸杆菌（如结核分枝杆菌（Mtb））等感染性病原体——Mtb的细胞壁由海藻糖二霉菌酸酯（TDM）和脂阿拉伯甘露聚糖（LAM）等多种糖脂组成，可被CLRs识别并激活保护性免疫反应。CLRs形成Dectin-1簇和Dectin-2簇两个基因簇，提示其通过基因复制扩展成员；Dectin-2簇成员（如Dectin-2、Mincle、巨噬细胞C型凝集素（MCL）、髓系抑制性C型凝集素受体（MICL）和树突状细胞免疫激活受体（DCAR））均识别分枝杆菌糖脂，表明该簇成员的扩展至少部分源于对抗分枝杆菌的“军备竞赛”。Mincle作为CLRs的重要成员，对诱导针对分枝杆菌的免疫反应至关重要，其结构包含单个细胞外碳水化合物识别域（CRD），并通过含免疫受体酪氨酸激活基序（ITAM）的适配分子FcRγ进行细胞内信号转导。Mincle的表面表达可由其他CLRs（如MCL或Dectin-2）识别配体后诱导上调，不同于Dectin-2等组成性表达的受体；激活后通过FcRγ启动下游信号级联，产生促炎细胞因子，同时参与Th1和Th17反应的诱导，部分研究还报道其释放抗炎细胞因子。此外，Mincle具有双重识别能力：既能识别外源性PAMPs（如TDM、LAM），也能识别内源性损伤相关分子模式（DAMPs）（如β-葡萄糖脑苷脂）——后者通常存在于细胞内，仅在细胞损伤时释放。这种双重识别和可诱导表达特性使Mincle兼具抗菌受体和应激传感器的功能，仅在配体存在时上调，从而在识别陌生糖脂的同时限制过度炎症，维持组织稳态。本综述将首先描述通过结构分析推断的Mincle配体及其结合机制，随后基于近期对低等脊椎动物Mincle的研究讨论其进化历程。

Recognition of mycobacterial glycolipids by Mincle

Mincle最初被鉴定为巨噬细胞中核因子IL-6（NF-IL6，即CCAAT/增强子结合蛋白β（C/EBPβ））的转录靶标，是一种II型跨膜分子，含CRD，诱导后通过ITAM-containing适配蛋白FcRγ转导信号。Mincle特异性反应由配体结合的时间和强度调控：2008年首次报道其保护作用——参与宿主对白色念珠菌（Candida albicans）的防御，但该真菌的Mincle配体尚未明确；同年，小核核糖核蛋白组分SAP130被鉴定为首个内源性Mincle配体。此后，大量外源性和内源性配体被发现，包括各种生物体的细胞壁成分、各种糖基二酰甘油化合物、brartemicin、β-葡萄糖脑苷脂和含胆固醇分子等。TDM作为完全弗氏佐剂的成分源自Mtb细胞壁，被确认为Mincle配体——其糖和脂质部分均有助于最大程度的Mincle结合，这一结论得到结构分析的支持；Mincle缺陷小鼠实验进一步证实，Mincle对巨噬细胞识别TDM及后续免疫反应（如肉芽肿形成）至关重要。近期，麻风分枝杆菌（Mycobacterium leprae，麻风病病原体）的酚糖脂III（PGL-III）也被鉴定为Mincle配体，其能以Mincle依赖的方式诱导原代巨噬细胞产生肿瘤坏死因子（TNF）和IL-6；在Rag1缺陷背景下的Mincle缺陷小鼠中，M. leprae负担显著增加，且Mincle下游效应分子Nos2表达下调，提示Mincle在激活抗分枝杆菌效应中发挥关键作用。

Recognition mechanism of Mincle ligands

Mincle对糖脂配体的识别机制已得到深入分析：2013年解析的Mincle晶体结构及其与海藻糖的复合物显示，与其他CLRs类似，Mincle的CRD包含一个钙离子，该离子与碳水化合物结合口袋中的氨基酸形成配位键——该口袋含有决定糖特异性的基序，Mincle具有谷氨酸-脯氨酸-天冬酰胺（EPN）基序，已知赋予其对葡萄糖和甘露糖的特异性。TDM的海藻糖其中一个葡萄糖基团通过CRD与Mincle结合，另一个葡萄糖基团与口袋附近的氨基酸残基（Glu135和Arg182）相互作用，形成更大的相互作用界面，相比单葡萄糖分子可能实现更稳健的结合。关于酰基链相互作用，最初假设疏水沟容纳脂质链，疏水残基的突变分析支持这一假说；后续使用海藻糖衍生物的结构分析揭示了可结合酰基链的二级疏水表面；人Mincle与TDM或海藻糖C10的核磁共振分析进一步表明，疏水表面和疏水沟均参与脂质结合。因此，Mincle通过三个不同位点识别糖脂：碳水化合物结合口袋、疏水沟和疏水表面。值得注意的是，PGL-III的葡萄糖头和脂质尾与TDM的结合方式不同：仅PGL-III的末端葡萄糖与Mincle的碳水化合物结合口袋相互作用，无额外氨基酸结合；脂质尾似乎与相邻的Mincle模块结合，提示多聚化。

Conservation of the key components for Mincle function

Mincle在哺乳动物中广泛保守，与人Mincle的氨基酸一致性范围为50%至99%（如黑猩猩>99%，鸭嘴兽52%-68%），鼠、人和牛Mincle的整体序列一致性约为70%。尽管氨基酸一致性因物种而异，但配体识别的关键氨基酸（包括EPN基序、疏水沟和疏水表面）高度保守；半胱氨酸形成的二硫键也保存良好，提示跨物种的三维结构相似。这种结构保守性得到实验支持：鼠、人和牛Mincle共享部分配体。然而，哺乳动物间仍存在配体识别的物种特异性差异——例如人Mincle识别分枝杆菌的单月桂酸甘油酯，而鼠Mincle不识别，突变分析显示这归因于疏水沟内氨基酸残基的差异。尽管存在差异，识别相同配体的受体的广泛保守性表明，抗酸细菌在哺乳动物进化中构成了共同威胁，需维持针对这些病原体的免疫传感器。鱼类中也存在推定Mincle的报道，提示脊椎动物间的保守性；FcRγ在其他脊椎动物（爬行动物、两栖动物和鱼类）中似乎也保守，与人FcRγ的氨基酸一致性为43%至68%，且ITAM保守，表明其在脊椎动物中的广泛保守性。

Evolution of ligand recognition by Mincle

除识别外源性糖脂外，Mincle和其他CLRs还能识别自身成分（如β-葡萄糖脑苷脂或胆固醇晶体）——这些分子通常位于细胞内，仅在细胞损伤时被Mincle结合以启动恢复稳态的反应。因此，Mincle最初是作为外源性配体（如分枝杆菌来源）还是内源性配体的受体发挥作用尚不清楚。研究人员近期通过分析河豚（Takifugu rubripes）Mincle（trMincle）的晶体结构及推定两栖动物和爬行动物Mincle的预测结构，揭示了Mincle的进化轨迹。trMincle具有保守的脂质结合疏水残基，但胆固醇识别/相互作用氨基酸共识（CRAC）基序未保守；FcRγ也如既往报道保守。trMincle的晶体结构显示其碳水化合物结合界面比哺乳动物Mincle更窄，提示其无法容纳哺乳动物中观察到的糖脂二糖头基。这些发现表明，Mincle最初是作为识别含单糖分子（可能源于内源性，如β-葡萄糖脑苷脂——鞘磷脂代谢的基本成分，从古代生物开始使用）的应激受体发挥作用；由于释放的β-葡萄糖脑苷脂是生物体危险的信号，因此选择Mincle等传感器以确保稳态维持。两栖动物和爬行动物推定Mincle的预测结构显示糖结合口袋逐渐扩大，提示Mincle可能进化为识别随着生物体适应陆地生活而遇到的病原体特有的多糖部分。研究人员推测栖息地变化促进了Mincle配体识别能力的扩展：近期研究表明脊椎动物的陆生化导致免疫功能相关基因的获得和扩展，提示栖息地变化对免疫的影响；通过计算方法分析CLRs（如MICL、Langerin、MelLec）在灵长类、啮齿类和蝙蝠中的变化，发现各分子CRD中积累了显著差异的突变，这可能是伴随栖息地变化适应不同病原体暴露的结果。在TLRs等其他膜结合先天免疫受体中，也报道了物种特异性结构和配体识别差异，并提出TLR-病原体共进化；有趣的是，一些分枝杆菌（如海分枝杆菌（M. marinum））可感染鱼类，斑马鱼中的类似蛋白可能介导宿主中M. marinum TDM的作用。未来对更广泛鱼类的深入研究可能为Mincle糖结合口袋大小的选择压力提供额外见解。总之，环境影响程度可能足以在同工分子中产生独特突变。

Conclusions

尽管大量研究持续探讨Mincle在感染期间及作为内源性分子传感器的作用，但其起源才刚刚被揭示。鱼类Mincle与高等脊椎动物Mincle的氨基酸序列和结构比较提示，Mincle最初识别主要源于自身的含单糖糖脂；然而，适应新环境（尤其是从水生到陆生环境）可能导致突变的获得，使其能够结合独特配体（包括新遇到的、危及生命的微生物来源的糖脂）。通过计算和生物化学方法对更广泛的脊椎动物免疫受体及其识别的环境配体进行详细比较分析，将进一步阐明其进化，揭示哪些配体驱动适应和/或新受体的出现，从而塑造我们的免疫系统。