文獻分享 | Nat Microbiol為什么蚊子不怕瘧疾
瘧原蟲每年導致數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，瘧原蟲隨血液進入蚊體，在適宜溫度條件下，瘧原蟲經過發育、繁殖形成子孢子，然后進入蚊子的唾液腺，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，復旦大學生命科學學院王敬文教授和唐惠儒教授團隊在Nature Microbiology（IF 17.745）上發表了題為“Anopheline mosquitoes are protected against parasite infection by tryptophan catabolism in gut microbiota”的研究論文。研究發現斯氏按蚊腸道共生菌參與調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）的累積會破壞按蚊腸道圍食膜結構，促進瘧原蟲的感染。而共生菌中的產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。
實驗結果
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技術進行了色氨酸靶向代謝組學分析。經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物水平，發現色氨酸（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）會在Abx按蚊體內累積（下圖）。其中3-HK的累積會促進瘧原蟲的感染。
2）3-HK會通過破壞按蚊圍食膜結構來促進瘧原蟲的感染
為研究3-HK促進伯氏瘧原蟲感染的機制，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，確認了3-HK的升高并沒有擾亂中腸氧化還原平衡。同時也觀察到中腸上皮細胞并沒有發生消化或毒素損傷的現象。通過分析RNA-seq結果作者發現經3-HK處理后共有172個基因發生差異表達，47個基因上調，125個基因下調（下圖a）。在下調的基因中有2個基因是與中腸上皮屏障功能相關，包括粘蛋白（Mucin）和圍食膜因子（Peritrophin1，Per1）。Mucin和Per1均為圍食膜基質（Peritrophic matrix，PM）的重要組成部分，它們可以保護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行了Per1蛋白水平分析和PM結構分析。結果表明3-HK處理組的中腸中Per1蛋白水平顯著降低（下圖c），同時PM結構受到損害（下圖d），說明3-HK在降低Per1表達中起關鍵作用。同時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，發現均不能進一步增加伯氏瘧原蟲的感染。綜上得知3-HK的升高會損害PM的完整性，從而促進伯氏瘧原蟲的感染。
3）按蚊腸道中的產堿假單胞菌可代謝3-HK
為進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，富集相應腸道菌并進行16S rRNA二代測序。該研究在按蚊吸血前的腸道菌群結構中發現了9個最豐富的屬（下圖a），其中第二優勢菌屬假單胞菌具有通過犬尿氨酸途徑代謝Trp的能力，同時其菌落形態數目最多的產堿假單胞菌P. alcaligenes有7個基因與色氨酸分解代謝有關。作者發現與對照組相比，重新定殖P. alcaligenes的按蚊會促進PM的形成并顯著降低Trp、3-HK和XA的水平（下圖c），從而確定了產堿假單胞菌可以促進瘧原蟲感染的3-HK催化代謝。
全文總結
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抗瘧原蟲感染的現象發現了腸道菌群的作用，接著從蛋白水平分析和PM結構分析證明了3-HK會通過抑制Per1的表達而損害圍食膜的完整性，然后借助基因組測序、代謝組學分析和基因突變等多種實驗方法證明了產堿假單胞菌P. alcaligenes可以通過分解3-HK來保護按蚊的圍食膜，最終發現腸道菌群可以通過調節按蚊的色氨酸代謝影響宿主對瘧原蟲的易感性。
