昆蟲讓體內共生菌乖乖待在懷菌體的方法

      昆蟲體內存在各樣的共生菌，這些共生菌提供昆蟲無法合成或是分解的營養物質，昆蟲則提供身體作為細菌存活的場所，有些昆蟲體內能夠找到由懷菌細胞形成懷菌體(bacteriome)讓細菌只在這個器官活動，這個現象在蚜蟲以及木虱等昆蟲體內都能夠找到，而這些共生菌與寄主之間於免疫層次上的互動研究仍屬稀少，但在2011年發表於Science的Antimicrobial peptide keep insect endosymbionts under control是個有趣的研究案例。
      
      這篇報告敘述了一種米象(Sitophilus oryzae)如何巧妙利用體內的抗菌胜肽coleoptericin-A的特性將體內的共生菌(Sitophilus primary endosymbiont, SPE)保留在懷菌體內，法國里昂大學的Abdelaziz Heddi的團隊發現SPE僅只能誘發米象體內抗菌胜肽coleoptericin-A的表現，若抑制米象體內的coleoptericin-A表現後SPE則是能夠逃離懷菌體進入其他體細胞，而將SPE、E. coli以及另外一種米象的共生菌Nardonella處理coleoptericin-A發現低濃度的coleoptericin-A會使細菌形態變長並且形成多倍體(polyploid)的狀態，並停止分裂的最終程序，由於細菌因coleoptericin-A的緣故體型變大(變胖)無法逃離懷菌體，因此米象就能夠在體內讓共生菌乖乖待在懷菌體內不會跑到別處去。
      
      而至於coleoptericin-A如何使細菌體型變大，作者們也提出了他們的解釋，他們發現coleoptericin-A會與細菌體內的GroEL結合干擾正常的蛋白活性，而groEL基因的突變則會促使細菌巨大化(gigantism)，所以細菌體型就因此變大了。

      一般對於抗菌胜肽的認知僅是抗菌胜肽會透過改變細胞膜通透性來達到殺菌目的，事實上目前已經發現不同類型的抗菌胜肽能夠針對細菌的各個部份進行干擾，例如對特定蛋白質結合或是與核酸結合干擾基因表現等，相信在寄主與共生菌交互作用過程中各種抗菌胜肽會扮演各種有趣的角色，就等待大家挖掘發現了。

抗菌胜肽並非第一道系統性免疫反應防線？？

      在看一些文章或是論文時，時常會看到類似抗菌胜肽在免疫反應扮演十分重要的角色等相關的論點，毋庸置疑，抗菌胜肽的確在昆蟲系統性免疫反應扮演的十分關鍵的角色，甚至能夠決定昆蟲被病原感染下是否能繼續存活的關鍵，但是在研究抗菌胜肽受到細菌誘導表現的實驗皆告訴我們抗菌胜肽的表現模式是誘導後最快1個小時表現上升，而絕大多數的抗菌胜肽則是在12至48小時才達到表現高峰，而這類的實驗主要是以體腔注射的方式直接感染活或死細菌，或者是利用細菌細胞壁物質的萃取物達到模擬細菌感染的誘導效果，其中的問題就在於體內的細胞並不會去分辨是活的還是死的細菌還是只是人類萃取的細胞壁物質，但是抗菌胜肽都在12至48小時才達到表現的高峰，如果抗菌胜肽是昆蟲系統性免疫的第一道防線，那為何不在感染的初期就達到表現高峰，為何會在12小時後才逐漸達到高峰？那麼在感染後較晚的時間表現出來的原因是什麼？

      2008年在Science發表的文章：Antimicrobial Defense and Persistent Infection in Insects，解決了以上問題，並且告訴我們昆蟲體內如何運用各樣免疫反應機制來達到滅絕感染身體的微生物，首先我們已經知道昆蟲體內的血球的吞噬作用發生相當地快速，當細菌注射進入體腔後數秒就即刻地反應，而抗菌胜肽則是晚到1個小時之後才表現出來，Jens Rolff的團隊利用活的金黃色葡萄球菌注射進入黃粉蟲（麵包蟲, Tenebrio molitor）體內，發現體液的殺菌活性大約會在1天左右達到高峰，而體內金黃色葡萄球菌則是在30分鐘後幾乎消失殆盡，但是有少部份的蟲體體內仍然存留著非常稀少的菌落，而作者則又將這些分離到菌株再次注射到沒有感染過細菌的蟲體，則發現了經過蟲體感染後分離的菌株比起沒有經過蟲體感染的菌株能在蟲體內留下更多菌株，經過這兩個簡單的實驗後可以得到三個結論：一、細菌存在對抗各種免疫反應物質的基因型，二、細菌可藉由短暫的選汰產生具有抗性的品系，三、看似表現延遲的抗菌胜肽，實際上是接續細胞性免疫反應後的表現反應，昆蟲體內利用兩種作用機制完全不相同的免疫反應來接續作用來將細菌消滅掉。

      這篇文章是筆者認為是繼Boman從Hyalophora cecropia體內分離Cecropin以及Hoffmann發現Toll receptor和Imd調節抗菌胜肽表現的報告後，闡述抗菌胜肽在昆蟲免疫反應機制中最重要的一篇報告，當中呈現了昆蟲利用不同作用機制的免疫反應並且在不同時間作用下來達到滅菌的效果，這樣的智慧可以運用在人類使用抗生素上，利用不同作用機制的抗生素輪流使用下來進行治療，可以更快速地消滅細菌病原並且減少抗性產生。此外，抗菌胜肽被科學家寄與厚望，期待抗菌胜肽能夠拿來作為新一代的抗生素使用，而且被認為細菌不太有可能對抗菌胜肽的作用機制產生抗性，這篇報告則明確地告訴我們細菌不但能夠產生抗性而且只是等候我們去選汰出具有對抗抗菌胜肽的菌株而已，目前對於細菌對抗菌胜肽的抗性研究也已經有些初步的成果，若對這個議題有興趣的人，可以試著閱讀Trends in Biotechnology 2011, vol. 49, p. 464, The expanding scope of antimicrobial peptide structure and their mode of action這篇review。

     

抗菌胜肽的種類

      抗菌胜肽主要可以藉由本身的電性、序列特性以及二級結構作為區分，大部份的抗菌胜肽為正電性，正電的特性主要是由賴胺酸(lysine)以及少數其他帶正電的氨基酸構成，如：cecropin、defensin、melittin、LL37等等，少數具負電性的抗菌胜肽則是由穀氨酸(glutamic acid)或天門冬胺酸(aspartic acid)形成負電區域，如：dermcidin，為何是抗菌胜肽大部份為正電性？有一部份的答案可能存在於抗菌胜肽的殺菌作用機制上，目前瞭解抗菌胜肽作用機制主要是在細菌的外壁進行穿孔動作，導致內部環境與外界環境的隔絕被破壞，進而造成細菌死亡，而細菌的外壁為負電性，所以以目的論來看，抗菌胜肽其實利用本身的正電特性與細菌外壁進行結合，才能夠有效的殺菌。

     就序列特性來看，有些抗菌胜肽的特性氨基酸的比例比較高，如：indolicidin（tryptophan, 色胺酸）、prophenin（proline, 脯胺酸; phenylalanine, 苯丙胺酸）、hymenoptaecin（glycine, 甘胺酸）等等，至於這些氨基酸在殺菌活性上的作用到目前仍然未知。

      二級結構上來看可明確地區分出三類：一、單一阿法螺旋(alpha-helix)結構，通常這類抗菌胜肽在螺旋上可再區分正/負電的兩個區域，稱為雙極性構造(amphipathic)，這類的結構特性與抗菌活性具有高度的相關性。二、具有貝他摺疊(beta-sheet)構造，這類抗菌胜肽通常會形成數個雙硫鍵，例如：一般的defensin則具有二到三個雙硫鍵，僅具有一個雙硫鍵則形成環狀結構，因為形狀近似 Θ則被稱為Θ-defensin，通常具有四個雙硫鍵的抗菌胜肽都具有良好的抗真菌的活性，但如protegrin則無形成雙硫鍵。三、random coil，這類結構主要是由proline, phenylalanine, tyroine, glycine等氨基酸比例較高的抗菌胜肽所構成的，作用機制除了與細菌外壁進行穿孔的作用外，如indolicidin則可與核酸進行結合干擾基因轉錄及轉譯。

         當然除了以上目前主要被用於歸類的抗菌胜肽特性之外，其他如：大小、疏水性、雙極性、生物活性等特性也可以用於區分歸類抗菌胜肽的種類，而實際上抗菌胜肽的命名以及歸類方式現在仍然是各說各話，並沒有具體的命名法則，因此在閱讀相關的報告時，千萬別以為A物種的 XXXX 1和B物種的XXXX 1是相同或相近的抗菌胜肽了，希望未來有人能夠將抗菌胜肽好好地整理歸類囉！