进化免疫学：动物免疫系统的起源、演化与生态影响
作者与机构
本文由Daniel I. Bolnick（美国康涅狄格大学）、Lauren E. Fuess（德克萨斯州立大学）、Andrea L. Graham（普林斯顿大学）、Imroze Khan（印度阿育王大学）、Natalie C. Steinel（马萨诸塞大学洛厄尔分校）和Grace J. Vaziri（明尼苏达大学）共同撰写，发表于2025年的《Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics》。
主题与背景
本文是一篇综述性论文，聚焦于进化免疫学（evolutionary immunology）这一跨学科领域，探讨动物免疫系统的演化机制、生态影响及与寄生虫的协同进化关系。免疫系统因其高度多态性基因和强烈的自然选择成为进化生物学的核心研究对象。文章整合了分子免疫学、生态学和进化生物学的视角，旨在揭示免疫系统如何在多细胞动物中演化，并如何影响宿主-寄生虫互作、物种形成及生态系统动态。
主要观点与论据
1. 免疫系统的演化理论与模型
免疫系统的演化受宿主与寄生虫的协同进化驱动。理论模型（如“基因对基因”模型和“匹配等位基因”模型）解释了免疫基因多态性的维持机制：
- 基因对基因模型：宿主通过逐步累积抗性基因对抗寄生虫的反防御，导致定向选择（directional selection），但可能减少多态性。
- 匹配等位基因模型：宿主受体与寄生虫抗原的匹配引发频率依赖性选择（frequency-dependent selection），维持长期多态性（如MHC基因的跨物种保守性）。
- 生态进化模型：寄生虫丰度变化影响免疫选择强度，宿主可能在抵抗（resistance）与耐受（tolerance）间权衡。
支持证据：
- 实验进化研究（如蜗牛Lymnaea stagnalis对抗寄生虫的酚氧化酶活性演化）显示定向选择与稳定选择并存。
- 基因组分析发现，免疫基因（如TLRs、MHC）在果蝇、鱼类和人类中呈现强烈的正选择信号（如FST、Tajima’s D值异常）。
2. 免疫系统的宏观演化历程
动物免疫系统的关键特征起源于生命早期：
- 先天免疫的古老起源：模式识别受体（PRRs，如Toll样受体TLRs）和凋亡机制在细菌中已出现，后被多细胞动物改造用于病原体防御。
- 适应性免疫的两次独立演化：
- 有颌脊椎动物：通过V(D)J重组产生T细胞受体（TCR）和B细胞受体（BCR），依赖RAG转座子起源的基因重组。
- 无颌脊椎动物（如七鳃鳗）：利用可变淋巴细胞受体（VLRs）通过片段插入生成多样性。
- 免疫功能的丢失与创新：部分物种（如裸鼹鼠缺乏自然杀伤细胞、鳕鱼丢失MHC II基因）因特殊生态压力出现免疫系统简化。
支持证据：
- 比较基因组学揭示MHC基因在脊椎动物中的古老复制事件（如四倍化后分化为MHC I/II）。
- 七鳃鳗的VLR系统与脊椎动物的BCR/TCR系统功能趋同但分子机制迥异。
3. 免疫可塑性与体细胞进化
免疫表型受环境和感染诱导，表现为反应规范（reaction norm）：
- 适应性免疫的“纳米进化”：个体内B/T细胞通过体细胞高频突变（如抗体亲和力成熟）优化抗原结合，但此过程不遗传。
- 代价与权衡：免疫应答可能引发自身损伤（如炎症导致组织纤维化），驱动耐受性演化。
支持证据：
- 野生种群研究（如南非水牛）显示免疫灵活性降低结核病风险。
- 实验室小鼠在自然环境中免疫表型显著改变，提示实验室环境的局限性。
4. 免疫演化的生态与进化后果
免疫基因可能作为生态关键基因（keystone genes）影响群落结构：
- 宿主-寄生虫协同进化：时间平移实验（如 Daphnia 与寄生虫的沉积物卵库研究）证实双方交替适应。
- 社会性与免疫权衡：群居物种（如蜜蜂、裸鼹鼠）免疫基因库简化，但依赖行为防御（如卫生行为）。
- 性选择与物种形成：MHC基因多态性影响配偶选择（如三刺鱼偏好MHC差异个体），可能促进生殖隔离。
支持证据：
- 迁徙蝙蝠因接触多样病原体而增强先天免疫效应。
- 硬骨鱼MHC I基因拷贝数与物种形成率正相关。
论文的意义与价值
1. 理论整合： bridging免疫学与进化生物学，揭示免疫复杂性如何通过自然选择塑造。
2. 方法论启示：强调非模式生物（如珊瑚、七鳃鳗）研究对突破传统免疫认知的重要性。
3. 应用潜力：为癌症免疫治疗（如肿瘤免疫逃逸机制）、疫苗设计（如亲和力成熟原理）提供演化视角。
亮点
- 提出“纳米进化”概念，描述体细胞突变在个体免疫记忆中的作用。
- 系统比较无颌/有颌脊椎动物的适应性免疫独立起源，为趋同演化提供案例。
- 批判“免疫竞争力”单一维度观点，倡导多维度免疫表型研究。
未来方向
- 开发跨物种免疫表型分析技术（如单细胞RNA测序在野生种群中的应用）。
- 探究多寄生系统（multiple parasites）对宿主免疫网络的扩散选择压力。