昆虫和很多微生物（包括真菌、细菌和病毒等）存在相互作用。这些作用对昆虫各个方面存在很大的影响，比如一些蚊虫的肠道共生菌能够影响蚊虫对杀虫剂的抗药性高低，也能影响蚊虫传播病原体（如登革病毒）的能力。当然宿主也会对共生菌群进行调控，如免疫调控（如IgA）或者表观遗传调控。
表观遗传调控：Epigenetic regulation，不涉及DNA序列的改变，但通过DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA（sRNA干扰） 等实现可遗传的基因表达调控。
DNA甲基化
DNA甲基化是在DNA分子上添加甲基基团，如果甲基化位于基因的启动子区域，那么甲基化通常会抑制基因的转录表达。在哺乳动物中，DNA甲基化和遗传印记、X染色体失活、转座子抑制、衰老和癌变等过程有关。
DNA的甲基化发生在腺嘌呤和胞嘧啶上：
其中胞嘧啶的甲基化最为常见，广泛存在于原核和真核生物中，但是各个物种的甲基化水平不同。拟南芥中有14%的胞嘧啶被甲基化；小鼠中有7.6%；大肠杆菌有2.3%；果蝇中只有0.03%的胞嘧啶被甲基化。胞嘧啶的甲基化主要发生于CpG二联碱基序列上，特别是在哺乳动物中，其体细胞中有75%的CpG序列被甲基化。在生殖细胞和胚胎发育早期，哺乳动物细胞DNA伴随着动态的甲基化和去甲基化的过程。
在昆虫中，不同目的DNA甲基化水平存在很大差异。完全变态发育的昆虫的DNA甲基化水平较低。在蜚蠊目中（蟑螂和白蚁），社会性物种存在较低的甲基化水平，而独居物种甲基化水平较高。此外，与脊椎动物基因组普遍的甲基化不同，昆虫的甲基化主要集中在基因区域，特别是一些管家基因，对昆虫的生长发育、生殖代谢、行为和抗药性等有重要影响。
DNA甲基化是诱导DNA自发点突变的因素之一。甲基化的胞嘧啶自发的脱氨基形成胸腺嘧啶，原本C:G配对的碱基，错配为T:G，其后细胞对错配修复，可能被修复为C:G，这种情况下不会形成突变，但是也有可能修复为T:A，就会形成可遗传的自发点突变。
DNA甲基转移酶（DNMT）催化了DNA的甲基化，一般分为三类DNMT1，DNMT2和DNMT3。DNA的复制过程会造成甲基化的丢失，但是DNMT1的存在，能够将父链上的甲基化拷贝到子链上，这样，DNA在复制的过程中，甲基化信息也同样地被复制了下来。DNMT2在RNA甲基化中发挥了重要的作用；DNMT3能够自发的进行新的甲基化。
DNMT1广泛存在于除双翅目以外的昆虫目中；DNMT3在昆虫的鞘翅目、膜翅目、半翅目和蜚蠊目中存在；DNMT2在进化上非常保守，存在于双翅目昆虫中，如黑腹果蝇、埃及伊蚊和冈比亚按蚊。
在面对微生物侵染时，昆虫可以动态调控基因的甲基化水平，进而调控基因表达。如，在蜜蜂中，相关基因的甲基化，可能会促进病毒的感染。甲基化和免疫存在负相关性，可能有利于入侵微生物的繁殖。
病原体本身也可以通过自身DNA的甲基化调控侵染能力和致病性。比如，有些细菌中的DNA腺嘌呤甲基转移酶能够下调鞭毛相关的基因，造成细菌运动能力和毒力的降低。真菌DNA的甲基化常常分布于转座子区、重复序列、基因启动区或转录区；同样影响了包括真菌致病性的各个方面的特性。
【a: DNA序列中的胞嘧啶可以在相关酶的作用下发生甲基化和去甲基化，发生在启动子区的甲基化可以抑制相关基因的表达，发生在基因组的甲基化可以调控剪切变异。b: 组蛋白修饰包括甲基化和乙酰基化，一般而言，乙酰基化能够使DNA拓扑结构变得蓬松，有利于基因的转录和表达；反之，甲基化会降低基因的转录表达。c: 宿主自身的miRNA在Dicer-1的作用下，形成成熟的miRNA，进而调控mRNA降解、抑制翻译等；TE、假基因或者外源病毒形成的dsRNA在Dicer-2的作用下，结合Ago2，进而降解mRNA.】
组蛋白修饰
组蛋白是由赖氨酸和精氨酸残基组成，在真核细胞核中形成核小体，分为H1/H5, H2A, H2B, H3, H4等五类。其中第一个为连接组蛋白，其余为核心组蛋白。组蛋白表现为正电性，和负电性的DNA相互吸引，147bp的DNA序列围绕组蛋白八聚体。组蛋白可以乙酰基化或者甲基化。乙酰基化使得组蛋白带负电，和DNA序列相互排斥，形成比较松散的染色体结构，即常染色质，有利于基因的转录表达；而甲基化后（H3K9, H3K27, and H4K20）形成致密紧凑的染色体结构，即异染色质，抑制基因的转录表达。
在昆虫中，病原体的感染可以诱导宿主组蛋白修饰。在按蚊中，病原体感染后，宿主和免疫相关的基因表现出组蛋白动态修饰。一些病原体能够调控宿主脱乙酰酶活性，进而抑制宿主免疫基因的表达，促进病原体的感染。
当然，宿主也可以通过调控组蛋白修饰来对抗病原体感染。如在埃及伊蚊受到寨卡病毒感染后，会高表达乙酰转移酶，通过H3K27乙酰化修饰，促进AMP相关免疫基因的上调表达，进而抵抗病毒感染。丁酸钠能够抑制去乙酰化酶的活性，导致H3K27的超乙酰化；在蜜蜂中这种超乙酰化能够提高蜜蜂对病毒感染的抵抗力。此外，组蛋白乙酰化在昆虫免疫启动也发挥了重要作用。
不过，超乙酰化导致的过高水平的免疫响应对宿主来说并非都是有益的。在黑腹果蝇中，H3K9甲基化酶G9a的缺失超激活了Jak/Stat介导的免疫通路，面对RNA病毒感染时，导致了宿主的过早死亡。这也提示，昆虫通过组蛋白修饰来调控免疫是一个精细动态的过程。
真菌在入侵昆虫的过程中，伴随着对昆虫表皮角质层的侵入，组蛋白甲基化在此过程中发挥了重要的作用。组蛋白的乙酰化不仅影响了真菌的毒力大小，还会影响到真菌的其他特性，所以对相关组蛋白修饰的基因（组蛋白乙酰转移酶或去乙酰化酶）的干预往往会产生多效性（即影响多个表型）。
small RNA
small RNA (sRNA) 包含了microRNA (miRNA)和small interefering RNA (siRNA)，一般长度为18-24nt。
RNA聚合酶II转录合成pri-miRNA，其后修饰形成pre-miRNA，并被转运到细胞质中。在Dicer-1的作用下，pre-miRNA去除发卡结构，形成双链RNA，随后其一条链被降解，形成miRNA。
一般认为miRNA能够抑制靶基因的表达，但是也有一些研究证明miRNA也能够促进基因的转录表达。针对一些内源性（如转座子）或病毒来源的dsRNA前体，Dicer-2处理其形成siRNA。
一个mRNA可以被多个sRNA靶向，一个sRNA也可以靶向多个mRNA.
sRNA在昆虫免疫中发挥了重要作用。在果蝇中，miR-8, miR-317, miR-958, 和 miR-959–962等能够负向调节Toll通路。在埃及伊蚊中，血餐能够诱导aae-miR-375的表达，进而增加Toll受体的抑制基因cactus的表达，负向调节Toll表达通路。在小菜蛾中，miR-8的同样会抑制Toll通路。miR-959–962在细菌感染的末期会上调表达，降低免疫应激反应，维持免疫稳态。
miRNA能够调节IMD和JNK信号通路。比如，Let-7, miR-9a, miR-981, 和 miR-317 负向调节IMD通路；转录因子Myc能够激活miR-227，抑制imd/Tab2基因的表达。而miR-34能够激活抗细菌固有免疫。在蚜虫中，miR-184负向调节JNK通路。
一些病原微生物能够调控宿主昆虫免疫相关的miRNA的表达，促进自身的增殖。如苏云金芽孢杆菌感染时，一些昆虫的保守miRNA，包括miR-1, miR-10, miR-184, miR-275, 和 Let-7 会被上调，进而对宿主免疫进行负向调节。当然，一些宿主miRNA在面对病原感染时，也会下调，进而提高宿主抵抗力，比如蜜蜂中的mo-miR-278-3p，小菜蛾中的miR-8，蚜虫中的miR-184等。
昆虫胞内共生菌能够改变宿主miRNA的表达。感染共生菌的甘薯粉虱中，m0780-5p表达降低；感染沃尔巴克氏体的埃及伊蚊中，ae-miR-2940和aae-miR-981表达上调。这些miRNA通过相应的靶基因，改变宿主一些生物学特性，进而有利于共生菌在胞内的共生。此外，沃尔巴克氏体还能够通过aae-miR-2940抑制宿主DNA甲基化酶Dnm2的表达，进而抑制登革热病毒。
sRNA在真菌侵染宿主过程中有重要作用，一些是sRNA可以在病原真菌和宿主之间转运，进而调控二者的相互作用，也即是跨物种的RNAi cross-species RNAi。比如，致病菌白僵菌，其能够将miRNA样的RNA（bba-milR1）转移到蚊子细胞中，通过抑制宿主Toll受体基因Spz4的表达来控制宿主的免疫。当然，一些宿主昆虫也可以将自身的miRNA转运至病原菌体内。比如，在真菌感染时，蚊子能够上调表达一些miRNA，包括Let-7 和 miR-100，这些miRNA会进入真菌细胞内，抑制真菌毒力的表达基因。所以，miRNA可以在病原体和宿主之间相互转运，相互调控。这也提示我们，可以利用这种miRNA的相互调控来开发更有有效的杀昆虫试剂。
至于包括miRNA在内的这些sRNA是怎么在病原菌和宿主之间相互转运的，目前的研究还不太清楚。推测可能是通过胞外囊泡进行转运，比如白僵菌中的bba-milR1就是通过囊泡被转运到宿主细胞中。
sRNA同样介导了昆虫和病毒之间的相互作用。比如棉铃虫在病毒感染时，其Hz-miR24会上调，进而抑制病毒复制依赖的RNA聚合酶II；埃及伊蚊在基孔肯雅热病毒感染时，miR-2944b-5p会和病毒序列作用，抑制病毒复制。此外，蜜蜂中的bmo-miR-390、草地贪夜蛾中的miR-34-5p等均能够抵抗病毒感染。当然，病毒也可以使用miRNA来抑制宿主免疫，逃避宿主的抗病毒作用，比如稻飞虱被病毒感染后，miR-315-5p会被上调，免疫被抑制，进而促进病毒感染和增殖。病毒也可以利用自身产生的miRNA来调控侵染过程，比如通过自身的miRNA来抑制自身的过度增殖，以避免激起宿主的强烈免疫反应。
【昆虫和病原真菌之间通过sRNA相互作用，其中胞外囊泡可能在sRNA转运过程中发挥了重要作用。】
总结
DNA的甲基化、组蛋白修饰和sRNA调控，是介导昆虫和微生物相互作用的三个重要机制。昆虫通过Toll受体和免疫通路识别病原体，或者通过一些激素通路（如20E），来激活表观修饰，进而调控基因表达。当然，作用是相互的，昆虫可以使用这些机制来调控免疫、抵抗病原体入侵；病原体同样可以使用这些机制来抑制宿主的免疫、进而有利于自身的入侵和增殖。特别值得一提的是sRNA在调控二者互作中发挥了重要作用，值得深入研究。
资料来源：
Yiling Lai, and Sibao Wang. (2024). Epigenetic Regulation in Insect–Microbe Interactions. Annual Review of Entomology. https://doi.org/10.1146/annurev-ento-022724-010640
Wilde, J., Slack, E., & Foster, K. R. (2024). Host control of the microbiome: Mechanisms, evolution, and disease. Science, 385(6706), eadi3338.
https://en.wikipedia.org/wiki/DNA_methylation
