文献分享 | Nat Microbiol为什么蚊子不怕疟疾

疟原虫每年导致数亿人口感染疟疾和超过40万人死亡。疟疾病人被雌性按蚊叮咬吸血后，疟原虫随血液进入蚊体，在适宜温度条件下，疟原虫经过发育、繁殖形成子孢子，然后进入蚊子的唾液腺，在下一次叮咬完成传播。那按蚊为什么能在疟原虫的感染中幸免于难呢？

2022年4月，复旦大学生命科学学院王敬文教授和唐惠儒教授团队在Nature Microbiology（IF 17.745）上发表了题为“Anopheline mosquitoes are protected against parasite infection by tryptophan catabolism in gut microbiota”的研究论文。研究发现斯氏按蚊肠道共生菌参与调控了宿主的色氨酸代谢水平，其中3-羟基犬尿氨酸（3-hydroxykynurenine，3-HK）的累积会破坏按蚊肠道围食膜结构，促进疟原虫的感染。而共生菌中的产碱假单胞菌所编码犬尿氨酸酶（kynureninase，KynU）可通过将3-HK分解为3-羟基邻氨基苯甲酸（3-hydroxyanthranilicacid，3-HAA）来保护围食膜，提高按蚊对疟原虫的抵抗性。原文链接：https://doi.org/10.1038/s41564-022-01099-8。

  实验结果   
 

1）共生菌通过色氨酸分解代谢途径影响按蚊的疟原虫易感性

作者采用LC-MS技术进行了色氨酸靶向代谢组学分析。经过对比正常和共生菌清除型（Antibiotics-treated，Abx）按蚊的色氨酸及其代谢产物水平，发现色氨酸（Tryptophan，Trp）和犬尿氨酸代谢途径中的犬尿氨酸（Kynurenine，Kyn）、3-HK、黄尿酸（Xanthurenic acid，XA）会在Abx按蚊体内累积（下图）。其中3-HK的累积会促进疟原虫的感染。

2）3-HK会通过破坏按蚊围食膜结构来促进疟原虫的感染

为研究3-HK促进伯氏疟原虫感染的机制，作者首先通过检测对照组和3-HK处理组在吸血前后的活性氧水平，确认了3-HK的升高并没有扰乱中肠氧化还原平衡。同时也观察到中肠上皮细胞并没有发生消化或毒素损伤的现象。通过分析RNA-seq结果作者发现经3-HK处理后共有172个基因发生差异表达，47个基因上调，125个基因下调（下图a）。在下调的基因中有2个基因是与中肠上皮屏障功能相关，包括粘蛋白（Mucin）和围食膜因子（Peritrophin1，Per1）。Mucin和Per1均为围食膜基质（Peritrophic matrix，PM）的重要组成部分，它们可以保护中肠免受病原体的侵袭、磨损和有毒化合物的伤害。接着作者对吸血后的按蚊进行了Per1蛋白水平分析和PM结构分析。结果表明3-HK处理组的中肠中Per1蛋白水平显著降低（下图c），同时PM结构受到损害（下图d），说明3-HK在降低Per1表达中起关键作用。同时该研究还通过消除肠道菌群、敲除HKT或使用多毒素D（PM形成抑制剂）等方式将PM消除后再添加3-HK，发现均不能进一步增加伯氏疟原虫的感染。综上得知3-HK的升高会损害PM的完整性，从而促进伯氏疟原虫的感染。

3）按蚊肠道中的产碱假单胞菌可代谢3-HK

为进一步确定参与色氨酸代谢的肠道菌类型，作者利用Trp喂食按蚊，富集相应肠道菌并进行16S rRNA二代测序。该研究在按蚊吸血前的肠道菌群结构中发现了9个最丰富的属（下图a），其中第二优势菌属假单胞菌具有通过犬尿氨酸途径代谢Trp的能力，同时其菌落形态数目最多的产碱假单胞菌P. alcaligenes有7个基因与色氨酸分解代谢有关。作者发现与对照组相比，重新定殖P. alcaligenes的按蚊会促进PM的形成并显著降低Trp、3-HK和XA的水平（下图c），从而确定了产碱假单胞菌可以促进疟原虫感染的3-HK催化代谢。

  全文总结  

 综上所述，作者首先通过肠道菌群可以参与按蚊色氨酸代谢途径并促进抗疟原虫感染的现象发现了肠道菌群的作用，接着从蛋白水平分析和PM结构分析证明了3-HK会通过抑制Per1的表达而损害围食膜的完整性，然后借助基因组测序、代谢组学分析和基因突变等多种实验方法证明了产碱假单胞菌P. alcaligenes可以通过分解3-HK来保护按蚊的围食膜，最终发现肠道菌群可以通过调节按蚊的色氨酸代谢影响宿主对疟原虫的易感性。