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文獻(xiàn)分享 | Nat Microbiol為什么蚊子不怕瘧疾
瘧原蟲每年導(dǎo)致數(shù)億人口感染瘧疾和超過40萬人死亡。瘧疾病人被雌性按蚊叮咬吸血后，瘧原蟲隨血液進(jìn)入蚊體，在適宜溫度條件下，瘧原蟲經(jīng)過發(fā)育、繁殖形成子孢子，然后進(jìn)入蚊子的唾液腺，在下一次叮咬完成傳播。那按蚊為什么能在瘧原蟲的感染中幸免于難呢？
2022年4月，復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王敬文教授和唐惠儒教授團(tuán)隊(duì)在Nature Microbiology（IF 17.745）上發(fā)表了題為“Anopheline mosquitoes are protected against parasite infection by tryptophan catabolism in gut microbiota”的研究論文。研究發(fā)現(xiàn)斯氏按蚊腸道共生菌參與調(diào)控了宿主的色氨酸代謝水平，其中3-羥基犬尿氨酸（3-hydroxykynurenine，3-HK）的累積會(huì)破壞按蚊腸道圍食膜結(jié)構(gòu)，促進(jìn)瘧原蟲的感染。而共生菌中的產(chǎn)堿假單胞菌所編碼犬尿氨酸酶（kynureninase，KynU）可通過將3-HK分解為3-羥基鄰氨基苯甲酸（3-hydroxyanthranilicacid，3-HAA）來保護(hù)圍食膜，提高按蚊對瘧原蟲的抵抗性。原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41564-022-01099-8。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1）共生菌通過色氨酸分解代謝途徑影響按蚊的瘧原蟲易感性
作者采用LC-MS技術(shù)進(jìn)行了色氨酸靶向代謝組學(xué)分析。經(jīng)過對比正常和共生菌清除型（Antibiotics-treated，Abx）按蚊的色氨酸及其代謝產(chǎn)物水平，發(fā)現(xiàn)色氨酸（Tryptophan，Trp）和犬尿氨酸代謝途徑中的犬尿氨酸（Kynurenine，Kyn）、3-HK、黃尿酸（Xanthurenic acid，XA）會(huì)在Abx按蚊體內(nèi)累積（下圖）。其中3-HK的累積會(huì)促進(jìn)瘧原蟲的感染。
2）3-HK會(huì)通過破壞按蚊圍食膜結(jié)構(gòu)來促進(jìn)瘧原蟲的感染
為研究3-HK促進(jìn)伯氏瘧原蟲感染的機(jī)制，作者首先通過檢測對照組和3-HK處理組在吸血前后的活性氧水平，確認(rèn)了3-HK的升高并沒有擾亂中腸氧化還原平衡。同時(shí)也觀察到中腸上皮細(xì)胞并沒有發(fā)生消化或毒素?fù)p傷的現(xiàn)象。通過分析RNA-seq結(jié)果作者發(fā)現(xiàn)經(jīng)3-HK處理后共有172個(gè)基因發(fā)生差異表達(dá)，47個(gè)基因上調(diào)，125個(gè)基因下調(diào)（下圖a）。在下調(diào)的基因中有2個(gè)基因是與中腸上皮屏障功能相關(guān)，包括粘蛋白（Mucin）和圍食膜因子（Peritrophin1，Per1）。Mucin和Per1均為圍食膜基質(zhì)（Peritrophic matrix，PM）的重要組成部分，它們可以保護(hù)中腸免受病原體的侵襲、磨損和有毒化合物的傷害。接著作者對吸血后的按蚊進(jìn)行了Per1蛋白水平分析和PM結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果表明3-HK處理組的中腸中Per1蛋白水平顯著降低（下圖c），同時(shí)PM結(jié)構(gòu)受到損害（下圖d），說明3-HK在降低Per1表達(dá)中起關(guān)鍵作用。同時(shí)該研究還通過消除腸道菌群、敲除HKT或使用多毒素D（PM形成抑制劑）等方式將PM消除后再添加3-HK，發(fā)現(xiàn)均不能進(jìn)一步增加伯氏瘧原蟲的感染。綜上得知3-HK的升高會(huì)損害PM的完整性，從而促進(jìn)伯氏瘧原蟲的感染。
3）按蚊腸道中的產(chǎn)堿假單胞菌可代謝3-HK
為進(jìn)一步確定參與色氨酸代謝的腸道菌類型，作者利用Trp喂食按蚊，富集相應(yīng)腸道菌并進(jìn)行16S rRNA二代測序。該研究在按蚊吸血前的腸道菌群結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了9個(gè)最豐富的屬（下圖a），其中第二優(yōu)勢菌屬假單胞菌具有通過犬尿氨酸途徑代謝Trp的能力，同時(shí)其菌落形態(tài)數(shù)目最多的產(chǎn)堿假單胞菌P. alcaligenes有7個(gè)基因與色氨酸分解代謝有關(guān)。作者發(fā)現(xiàn)與對照組相比，重新定殖P. alcaligenes的按蚊會(huì)促進(jìn)PM的形成并顯著降低Trp、3-HK和XA的水平（下圖c），從而確定了產(chǎn)堿假單胞菌可以促進(jìn)瘧原蟲感染的3-HK催化代謝。
全文總結(jié)
綜上所述，作者首先通過腸道菌群可以參與按蚊色氨酸代謝途徑并促進(jìn)抗瘧原蟲感染的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了腸道菌群的作用，接著從蛋白水平分析和PM結(jié)構(gòu)分析證明了3-HK會(huì)通過抑制Per1的表達(dá)而損害圍食膜的完整性，然后借助基因組測序、代謝組學(xué)分析和基因突變等多種實(shí)驗(yàn)方法證明了產(chǎn)堿假單胞菌P. alcaligenes可以通過分解3-HK來保護(hù)按蚊的圍食膜，最終發(fā)現(xiàn)腸道菌群可以通過調(diào)節(jié)按蚊的色氨酸代謝影響宿主對瘧原蟲的易感性。
