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復(fù)旦大學(xué) | 按蚊通過腸道菌群中色氨酸的分解代謝來抵抗寄生蟲感染

 醫(yī)學(xué)abeycd 2022-11-30 發(fā)布于湖北

Anopheline mosquitoes are protected against parasite infection by tryptophan catabolism in gut microbiota

作者:Yuebiao Feng, Yeqing Peng, Xiumei Song, Han Wen, Yanpeng An, Huiru Tang, Jingwen Wang

Nature Microbiology:2022/04/18

摘要:The mosquito microbiota can influence host physiology and vector competence, but a detailed understanding of these processes is lacking. Here we found that the gut microbiota of Anopheles stephensi, a competent malaria vector, is involved in tryptophan metabolism and is responsible for the catabolism of the peritrophic matrix impairing tryptophan metabolites. Antibiotic elimination of the microbiota led to the accumulation of tryptophan and its metabolites—kynurenine, 3-hydroxykynurenine (3-HK) and xanthurenic acid. Of these metabolites, 3-HK impaired the structure of the peritrophic matrix and promoted Plasmodium berghei infection. Among the major gut microbiota members in A. stephensiPseudomonas alcaligenes catabolized 3-HK as revealed by whole-genome sequencing and LC–MS metabolic analysis. The genome of P. alcaligenes encodes kynureninase (KynU) that is responsible for the conversion of 3-HK to 3-hydroxyanthranilic acid. Mutation of KynU resulted in a P. alcaligenes strain that was unable to metabolize 3-HK and unable to protect the peritrophic matrix. Colonization of A. stephensi with KynU-mutated P. alcaligenes failed to protect mosquitoes against parasite infection as compared with mosquitoes colonized with wild-type P. alcaligenes. In summary, this study identifies an unexpected function of mosquito gut microbiota in controlling mosquito tryptophan metabolism, with important implications for vector competence.

蚊子的微生物菌群可以影響其宿主的生理和攜帶能力,,但有關(guān)于這些過程詳情尚不清楚。本研究中,,我們發(fā)現(xiàn)斯氏按蚊(一種瘧疾媒介)的腸道菌群參與了色氨酸的代謝,,并負(fù)責(zé)分解代謝掉那些有害于色氨酸代謝物的周營養(yǎng)基質(zhì)??股叵⑸锶簩?dǎo)致色氨酸及其代謝產(chǎn)物--犬尿氨酸,、3-羥基犬尿氨酸(3-HK)和黃嘌呤酸的積累。在這些代謝產(chǎn)物中,,3-HK損害了圍食膜基質(zhì)的結(jié)構(gòu),,促進(jìn)了柏氏瘧原蟲(Plasmodium berghei)的感染。在斯氏按蚊的主要腸道菌群中,,通過全基因組測序和LC-MS代謝分析顯示,,產(chǎn)堿假單胞菌能夠分解代謝3-HK。產(chǎn)堿假單胞菌中負(fù)責(zé)編碼犬尿氨酸酶(KynU)的基因,,負(fù)責(zé)將3-HK轉(zhuǎn)化為3-羥基鄰氨基苯甲酸,。KynU的突變導(dǎo)致產(chǎn)堿假單胞菌不能代謝3-HK,不能保護(hù)圍食基質(zhì),。與野生型斯氏按蚊定殖產(chǎn)堿假單胞菌的蚊子相比,,產(chǎn)堿假單胞菌定殖于KynU突變的斯氏按蚊后并不能保護(hù)蚊子免受寄生蟲感染。綜上所述,,本研究確定了蚊子腸道菌群在調(diào)控蚊子色氨酸代謝中的一個意想不到的功能,,對媒介能力具有重要意義,。




論文ID


名:Anopheline mosquitoes are protected against parasite infection by tryptophan catabolism in gut microbiota

按蚊通過腸道菌群中色氨酸的分解代謝來抵抗寄生蟲感染

期刊Nature Microbiology

IF:30.964

2022.4.18唐惠儒,王敬文

通訊作者單位:復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院


實驗設(shè)計

結(jié)果

1 微生物色氨酸分解代謝影響瘧原蟲(Plasmodium)的感染

為了確定微生物群是否參與蚊子的色氨酸代謝,,我們通過液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法(LC-MS)進(jìn)行了靶向代謝組學(xué)分析,。我們在0 h(即吸血前)和吸血后(24 h),對正常對照組的斯氏按蚊和抗生素處理(Abx)的斯氏按蚊的色氨酸及其代謝產(chǎn)物進(jìn)行分析,。通過分析,,我們共檢測到13種Trp代謝物(圖1a和補(bǔ)充表1)?;贚C-MS分析,,我們發(fā)現(xiàn),Abx蚊子的色氨酸含量以及犬尿氨酸通路(KP的代謝物含量(犬尿氨酸,、3-羥基犬尿氨酸[3-HK]和黃尿酸[XA]吸血前顯著高于對照組組蚊子(圖1b),。吸血后(24 h),Abx蚊子體內(nèi)的5-羥色胺(5-HT)和細(xì)菌來源的代謝產(chǎn)物3-羥基鄰氨基苯甲酸(3-HAA)減少,而吲哚-3-乙醛(IAld)顯著增加(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖1)。這些結(jié)果表明微生物群調(diào)節(jié)斯氏按蚊體內(nèi)的色氨酸代謝,。
缺乏微生物菌群的蚊子更易感染瘧原蟲(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖2a),。由于犬尿氨酸通路相關(guān)化合物Trp、Kyn,、3-HK,、XA和3-HAA的水平受微生物群的影響,我們假設(shè)這些代謝產(chǎn)物影響了蚊子對柏氏鼠瘧原蟲感染的易感性,。我們將這5種代謝產(chǎn)物經(jīng)口給予斯氏按蚊,,隨后用感染了瘧原蟲的小鼠飼喂斯氏按蚊。在感染8天后檢查卵囊數(shù)量(圖1c),。我們采用了文獻(xiàn)9中所表述的色氨酸含量,,除此之外,基于對正常蚊子進(jìn)行的LC-MS分析結(jié)果,,我們對包括Kyn,、3-HK、XA,、3-HAA以及朱砂精酸(cinnabarinic acid,,CA)在內(nèi)的幾種代謝物采用了相對應(yīng)的含量水平(附表2和3)。通過糖粉經(jīng)口服補(bǔ)充色氨酸和3-HK均顯著增加斯氏按蚊卵囊數(shù)量(圖1d,,f),。然而,給予Kyn,、XA和3-HAA不影響伯氏瘧原蟲感染(圖1e,、g,、h)。我們還檢測了3-HAA下游產(chǎn)物CA對伯氏瘧原蟲感染的影響,。通過研究發(fā)現(xiàn),補(bǔ)充CA與否的蚊子的卵囊數(shù)量相似(圖1i),。
為了證實3-HK能夠影響伯氏瘧原蟲的感染,,我們通過顯微注射3-羥基犬尿氨酸轉(zhuǎn)氨酶(HKT)特異性雙鏈RNA(dsHKT)的方式敲除掉催化3-HK轉(zhuǎn)化為XA的HKT基因,并對蚊子的感染率進(jìn)行測定,。同時,,以靶向綠色熒光蛋白(dsGFP)的雙鏈RNA處理的蚊蟲作為對照。與dsGFP對照相比,,dsHKT處理2天后,,蚊子體內(nèi)的HKT水平降低了約49%,與此同時,,我們觀察到dsHKT蚊子體內(nèi)3-HK顯著蓄積(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖3a,b),。與我們設(shè)想的相一致,,與dsGFP對照相比,,基因敲除HKTdsHKT顯著增加了蚊子的卵囊數(shù)量(圖1j),。
為了探究3-HK究竟影響了哪一階段的發(fā)育,,我們對3-HK處理后的蚊子的外鞭毛和動合子水平進(jìn)行了測定。在吸血前,,經(jīng)口補(bǔ)充3-HK顯著增加了3-HK水平,但不影響蚊子存活(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖4a,、b),。但與對照組相比,給予3-HK雖然不影響瘧原蟲的外鞭毛率,,顯著增加了卵動蛋白的數(shù)量(圖1k和擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖4c),。動合子必須穿過圍食基質(zhì)和中腸上皮才能發(fā)育成卵囊,。動合子和卵囊數(shù)量的增加表明3-HK促進(jìn)了寄生蟲的中腸穿越過程,。此外,我們發(fā)現(xiàn),3-HK處理后的蚊子的孢子數(shù)量顯著高于對照組(圖1l),,這表明3-HK處理增加了在小鼠中的傳播,。這些結(jié)果表明,色氨酸代謝,,尤其是犬尿氨酸途徑受蚊子及其微生物菌群共同調(diào)控,。3-HK的積累能夠促進(jìn)寄生蟲感染。

圖1 微生物通過調(diào)節(jié)Trp代謝進(jìn)而調(diào)節(jié)伯氏瘧原蟲的感染,。a代表本研究中與色氨酸代謝相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)品,;本研究中檢出的代謝物以粗體顯示,。5-HTP、IAM和IAA分別代表5-羥基-色氨酸,、吲哚-3-乙酰胺和吲哚-3-乙酸。其他縮略語均在文中進(jìn)行了定義,。b代表基于LC-MS分析了抗生素處理的蚊子(Abx,,n = 9)與正常蚊子(N,,n = 10)在吸血前(0h)的Trp,、Kyn、3-HK,、3-HAA,、XA,、5-HTP以及5-HT的倍數(shù)變化,。所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差形式表示。c代表斯氏按蚊色氨酸代謝物處理的工作流程,。d-i分別表示伯氏瘧原蟲感染對Trp代謝產(chǎn)物:Trp(d),、Kyn(e)、3-HK(f)、XA(g),、3-HAA(h)以及CA(i)的影響,。j代表瘧原蟲經(jīng)HKT敲除后對敗血性蚊子感染的影響,。k-l分別代表對照組和3-HK處理組蚊子的動合子(k)和孢子(l)數(shù)量,。排除批次效應(yīng)引起的潛在偏倚后,合并至少兩項獨立實驗的數(shù)據(jù),。d-l中的水平黑線表示數(shù)據(jù)中位值,。感染率如餅圖所示。b中數(shù)據(jù)采用雙側(cè)Student t檢驗和d-l中數(shù)據(jù)采用雙側(cè)Mann-Whitney檢驗確定顯著性,;其中NS代表不具有顯著性差異,。
2 3-HK介導(dǎo)的周圍基質(zhì)(PM)損傷促進(jìn)了瘧原蟲的感染

蚊子3-HK在生理條件下是促氧化劑。由于其在蚊子中較高的水平(補(bǔ)充表2)及其增加動合子和卵囊數(shù)量的能力,,我們假設(shè)3-HK的升高可能擾亂中腸的氧化還原穩(wěn)態(tài),,損害中腸上皮屏障功能并促進(jìn)寄生蟲感染。我們首先通過二氫乙錠(dihydroethidium,,DHE)染色方法,,在補(bǔ)充3-HK與否的斯氏按蚊的體內(nèi)檢測了吸血前(0 h)和吸血后(24 h)中腸中的活性氧(ROS)水平。與我們的假設(shè)相反,,無論是在吸血前后,,3-HK處理的蚊子和對照組蚊子之間就ROS水平而言未表現(xiàn)出顯著性差異(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖5a)。隨后,,我們通過對凋亡細(xì)胞和有絲分裂腸干細(xì)胞進(jìn)行染色進(jìn)一步探究了3-HK的攝入是否會對中腸上皮細(xì)胞造成損傷,。同樣,與對照組相比,,3-HK處理未引起中腸上皮的顯著變化(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖5b–e),。
為進(jìn)一步探究3-HK促進(jìn)柏氏鼠瘧原蟲(P. berghei)感染的機(jī)制,我們在蚊子吸食受感染的血后(24 h)對補(bǔ)充3-HK與否的蚊子的中腸進(jìn)行RNA測序(RNA-seq),。通過測序,,我們在3-HK處理的蚊子中有172個基因差異表達(dá)(DEGs),,其中包括47個上調(diào)基因以及125個下調(diào)基因(補(bǔ)充表4)。在倍數(shù)變化 > 2的下調(diào)基因中,,兩個基因與中腸上皮屏障功能相關(guān),,分別是mucinperitrophin1Per1)(圖2a)。Peritrophin和mucin是周圍基質(zhì)(PM)的重要組成部分,,可保護(hù)中腸免受病原體入侵,、磨損和有毒化合物的影響,。為了檢測3-HK是否會對PM造成損害,我們在蚊子吸血前對蚊子口服喂食3-HK,,隨后分析蚊子攝入血液后Per1的蛋白水平和PM的結(jié)構(gòu)。與RNA-seq結(jié)果一致,,補(bǔ)充3-HK顯著降低了中腸的Per1蛋白水平(圖2b,c),,并損害了PM結(jié)構(gòu)(圖2d),。此外,3-HK處理抑制了蚊子體內(nèi)Per1的表達(dá)(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖6a),。然而,,3-HK與血餐同時補(bǔ)充并不影響Per1的表達(dá)(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖6b)。這些結(jié)果表明,,血餐前口服3-HK在損害Per1表達(dá)中起關(guān)鍵作用,。
為了證實3-HK介導(dǎo)的寄生蟲感染性的增加是依賴于PM的完整性,,基于已發(fā)表的研究,,我們首先通過清除腸道菌群從而破壞PM的形成(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖2b),。與非3-HK處理的對照組蚊子相比,經(jīng)口服給予3-HK導(dǎo)致PM受損的蚊子(Abx)的卵囊數(shù)量并未有所增加(圖2e),。敲除Abx蚊子中的HKT對感染的結(jié)果也無影響(圖2f),。隨后,我們用多抗菌素D(一種按蚊中PM形成的抑制劑)對蚊子進(jìn)行飼喂,。通過飼喂我們發(fā)現(xiàn),,多毒素D處理完全消除了PM的形成(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖7),。此外,,與僅采用多抗菌素D飼喂的蚊子相比,,3-HK補(bǔ)充并沒有加劇柏氏瘧原蟲造成的感染(圖2g)。我們對補(bǔ)充Trp的蚊子進(jìn)行了相同的分析,。通過分析我們同樣發(fā)現(xiàn),,與對照組相比,,經(jīng)口給藥Trp降低了Per1蛋白的水平(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖8a),。當(dāng)缺乏PM時,補(bǔ)充Trp不影響柏氏瘧原蟲感染(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖8b),。這些數(shù)據(jù)表明,,3-HK的升高能夠損害PM完整性,進(jìn)而促進(jìn)氏瘧原蟲感染,。

圖2 3-HK通過損害PM促進(jìn)瘧原蟲的感染,。a以Volcano圖形式顯示了感染后(24 h)喂食3-HK與否的蚊子的中腸中的差異表達(dá)基因,,其中橙色代表上調(diào)基因,綠色代表下調(diào)基因,;b代表正常血餐后(24 h),,3-HK處理(+)和對照(-)蚊子中腸Per1的Western blot圖譜;c代表正常血餐后,,3-HK處理(+)和對照(-)蚊子中腸中Per1的免疫染色(綠色),,圖中藍(lán)色代表DAPI染細(xì)胞核,,紅色箭頭代表Per1,,圖中比例尺為100 μm;d代表正常血餐后,,3-HK處理(+)和對照(-)蚊蟲的PM結(jié)構(gòu)的PAS染色,紅色箭頭表示PM結(jié)構(gòu),,圖中比例尺為100 μm,;e表示添加3-HK的Abx蚊子(+)和Abx蚊子(-)的卵囊數(shù);f表示dsHKT和dsGFP處理的Abx蚊子的卵囊數(shù)量,;g表示正常蚊子,,用多毒素D處理(PD)的蚊子以及補(bǔ)充3-HK的PD處理的蚊子的卵囊數(shù),。e-g表示合并兩項獨立實驗的結(jié)果,,其中每個點代表一只蚊子,,黑色水平線表示中位值。
3 產(chǎn)堿假單胞菌(P. alcaligenes)參與了3-HK代謝

鑒于腸道菌群可以阻止PM損害導(dǎo)致的3-HK積累,,隨后,,我們確定了在3-HK分解代謝中重要的腸道共生細(xì)菌。在血餐前分析實驗室飼養(yǎng)的斯氏按蚊腸道菌群結(jié)構(gòu),。其中腸桿菌屬(Enterobacter),、假單胞菌屬(Pseudomonas),、葡萄糖酸菌屬(Gluconobacter),、不動桿菌屬(Acinetobacter),、弧菌屬(Vibrio)、塔特姆菌屬(Tatumella),、發(fā)光桿菌屬(Photobacterium),、羅爾斯通氏菌屬(Ralstonia)和鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomaoans)是主要優(yōu)勢細(xì)菌屬(圖3a),。我們在京都基因與基因組百科全書數(shù)據(jù)庫(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes database )對具有代表性的物種的基因組序列進(jìn)行分析,以評價它們分解代謝3-HK的能力,。假單胞菌和羅爾斯通氏菌均含有犬尿氨酸甲酰胺酶(KynB,,負(fù)責(zé)催化N-甲酰犬尿氨酸(FK)生成Kyn)和犬尿氨酸酶(KynU,將Kyn和3-HK水解為鄰氨基苯甲酸和3-HAA)(圖3a),。鑒于假單胞菌的豐度在所有所有細(xì)菌屬中位居第二,,隨后我們研究了假單胞菌在3-HK代謝中的作用。本研究中,,我們通過分離鑒定發(fā)現(xiàn)我們飼養(yǎng)的斯氏按蚊種群中的假單胞菌屬為產(chǎn)堿假單胞菌(P. alcaligenes)(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖9a),,其在血餐作用下可以迅速增殖(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖9b)。
為了檢測共生產(chǎn)堿假單胞菌對Trp分解代謝的遺傳能力,,基于Illumina測序我們對該菌的全基因組序列進(jìn)行了鑒定,。其中共有7個基因與Trp分解代謝有關(guān)。包括犬尿氨酸甲酰胺酶(由KynB編碼),、犬尿氨酸酶(由KynU編碼)和過氧化物酶(由Kat編碼)在內(nèi)的三種酶可以通過犬尿氨酸途徑與Trp分解代謝相關(guān)(圖3b),。色氨酸2-單加氧酶(由TMO編碼)、酰胺酶和乙醛脫氫酶(由ADh編碼)與吲哚途徑相關(guān),,單胺氧化酶(由MAO編碼)負(fù)責(zé)將5-HT轉(zhuǎn)化為5-羥吲哚乙酸(5-HIAA)(圖3b),。
為了驗證產(chǎn)堿假單胞菌在蚊子體內(nèi)分解代謝3-HK的能力,,基于LC-MS技術(shù),我們比較了Abx和產(chǎn)堿假單胞菌定殖的Abx蚊子之間的Trp代謝差異,。在定殖2天后,,產(chǎn)堿假單胞菌的細(xì)菌屬可達(dá)1.2 * 104 c.f.u./中腸(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖9c),。與設(shè)想的相一致,,與Abx蚊子相比,產(chǎn)堿假單胞菌定殖的Abx蚊子中產(chǎn)堿假單胞菌的定植促進(jìn)了PM的形成,,并顯著降低了Trp、3-HK和XA的水平(圖3c和擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖9d)。然而,,我們在體內(nèi)未檢測到3-HK的終產(chǎn)物朱砂酸(CA),,這可能是由于其濃度較低所導(dǎo)致。這些結(jié)果表明,,共生細(xì)菌--產(chǎn)堿假單胞菌,,在斯氏按蚊中能夠代謝3-HK,。為了證實3-HK的降解具有菌種特異性,,我們隨后用豐度最高的共生菌--缺乏KynU的霍氏腸桿菌(Enterobacter hormaechei)定殖Abx蚊子,并分析了霍氏腸桿菌定殖的蚊子體內(nèi)的色氨酸代謝,。與產(chǎn)堿假單胞菌定殖的蚊子不同,,與Abx水平相比,E. hormaechei定殖顯著增加了與包括Trp,、3-HK,、XA和3-HAA在內(nèi)的犬尿氨酸途徑相關(guān)的代謝物水平(圖3 d)。盡管缺乏降解3-HK的能力,,但已有的研究表明E. hormaechei可刺激PM的形成,。因此,PM的完整性受多種細(xì)菌相關(guān)的因素影響,。產(chǎn)堿假單胞菌降解3-HK的能力可能是共生細(xì)菌保護(hù)PM完整性的策略之一,。

圖3 共生產(chǎn)堿假單胞菌分解代謝蚊子3-HK。a代表斯氏按蚊中參與犬尿氨酸途徑的主要共生細(xì)菌,,其中左側(cè)代表16S rRNA測序檢測到的實驗室飼養(yǎng)的蚊子中主要細(xì)菌屬的相對豐度(n=6),,右側(cè)代表每個屬的代表性細(xì)菌物種中犬尿氨酸代謝途徑的基因簇;b代表Trp通過蚊子(藍(lán)色)和產(chǎn)堿假單胞菌(橙色)途徑分解代謝的概述,,其中HKT,、KMO、KFM/KynB,、TDO,、TpH、AAAD,、MAO,、KynU、Cat,、Kat,、TMO以及ADh分別代表3-羥基犬尿氨酸、犬尿氨酸3-單加氧酶,、犬尿氨酸甲酰胺酶,、色氨酸2,3-雙加氧酶、色氨酸羥化酶、芳香族氨基酸脫羧酶,、單胺氧化酶,、犬尿氨酸酶、過氧化氫酶,、過氧化物酶,、色氨酸2-單加氧酶和乙醛脫氫酶;c代表血餐前產(chǎn)堿假單胞菌再定植(P.a.)和抗生素處理蚊子(Abx)中Trp代謝物的相對量(n = 9),;d代表血餐前霍氏腸桿菌(E.h.)再定植和抗生素處理的蚊子(Abx)中Trp代謝產(chǎn)物的相對量(n = 10),;c和d中的所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差形式表示(c,d),,并通過雙側(cè)Student t檢驗確定顯著性,。
4 犬尿酸酶負(fù)責(zé)3-HK的分解代謝

犬尿氨酸酶(KynU)被注釋為負(fù)責(zé)產(chǎn)堿假單胞菌中3-HK的分解代謝(圖3b),。為了驗證KynU在3-HK降解中的作用,我們構(gòu)建了一個KynU突變體--P.a.ΔKynU,,該突變體缺少了編碼KynU的1005 bp的堿基序列(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖10a),但不會影響細(xì)菌的生長(圖4a和擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖10b)。我們評估了KynU對斯氏按蚊色氨酸代謝的影響,。我們在Abx蚊子,、野生型產(chǎn)堿假單胞菌定殖的Abx蚊子(P.a.WT)以及KynU突變體(P.a.ΔKynU)中檢測了與犬尿氨酸途徑相關(guān)的代謝產(chǎn)物,。KynU突變導(dǎo)致產(chǎn)堿假單胞菌喪失了分解代謝3-HK的能力,,其表現(xiàn)為P.a.ΔKynU定殖的蚊子體內(nèi)的Trp,、Kyn和3-HK水平顯著高于P.a.WT蚊子(圖4b),。KynU突變并不影響XA水平,。與P.a.WT定植的蚊子相比,,P.a.ΔKynU定植蚊子中的3-HAA水平也有所積累(圖4b)。由于Trp由蚊子及其微生物群共同代謝,阻斷產(chǎn)堿假單胞菌中的KynU活性可能通過蚊子犬尿氨酸途徑促進(jìn)Trp分解代謝,。
我們接下來采用western blot方法,以Per1作為指標(biāo),檢測了細(xì)菌KynU突變對蚊子PM形成的影響,。與P.a.WT相比,,P.a.ΔKynU的定植并沒有誘導(dǎo)Per1蛋白的表達(dá)(圖4c)。當(dāng)KynU發(fā)生突變時,,產(chǎn)堿假單胞菌對柏氏瘧原蟲的抑制作用顯著降低(圖4d),。然而,與微生物清除一組(Abx)相比,,這些突變細(xì)菌的定植仍然增加了蚊子對寄生蟲感染的抵抗力,。這可能是由于P.a.ΔKynU在蚊子免疫系統(tǒng)中的刺激,。我們比較了P.a.WTP.a.ΔKynU定植感染24h后蚊子體內(nèi)的包括thioester containing protein 1(TEP1), cecropin(CecA), attacin (ATT)以及defensin (DEF)在內(nèi)的4個免疫相關(guān)基因的表達(dá)水平。P.a.WTP.a.ΔKynU定植的蚊子之間所有四種免疫基因的表達(dá)水平相當(dāng)(圖4e),。這表明,,除刺激蚊蟲免疫反應(yīng)外,,產(chǎn)堿假單胞菌通過參與Trp分解代謝抑制瘧原蟲感染,,防止PM損傷造成的3-HK積累,。

圖4 產(chǎn)堿假單胞菌Kynu在蚊子體內(nèi)降解3-HK。a代表感染血餐前后,,Abx蚊子以及定殖P.a.WT和P.a.ΔKynU的Abx蚊子的中腸的細(xì)菌負(fù)荷(n = 6),,數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差形式表示;b代表感染血餐前,,Abx蚊子以及定殖P.a.WT和P.a.ΔKynU的Abx蚊子中Trp代謝物的相對含量,,數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差形式表示;c代表正常血餐24 h后,,Abx蚊子以及定殖P.a.WT和P.a.ΔKynU的Abx蚊子的中腸中Per1的免疫印跡,,圖像代表三個獨立實驗,;d代表Abx蚊子以及定殖P.a.WT和P.a.ΔKynU的Abx蚊子的卵囊數(shù)量,,黑色水平線表示中位值;e代表Abx蚊子(n=6)以及定殖P.a.WT(n=8)和P.a.ΔKynU(n=7)的Abx蚊子中免疫相關(guān)基因的相對表達(dá)水平,將定殖P.a.WT和P.a.ΔKynU蚊子中免疫基因的相對表達(dá)水平歸一化為Abx中的基因表達(dá),,數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差形式表示,。通過方差分析確定顯著性,b圖中采用Tukey檢驗,、d中采用Dunn檢驗,,e中采用Benjamini,、Krieger和Yekutieli的兩階段遞增程序,。

討論


綜上所述,,我們確定了一個前所未知的作用:腸道菌群通過參與蚊子色氨酸代謝促進(jìn)抗寄生蟲響應(yīng),。色氨酸代謝在蚊子生理過程中起著重要作用,我們發(fā)現(xiàn)3-HK和XA是斯氏按蚊色氨酸代謝的前兩個豐富的中間產(chǎn)物,。3-HK由于其促氧化劑活性而具有毒性,。它也是蚊子中主要眼色素--ommochromes的合成前體,,在蛹和成年早期的蚊子的眼色素沉著中起著至關(guān)重要的作用。XA是3-HK的化學(xué)穩(wěn)定產(chǎn)物,作為抗氧化劑保護(hù)蚊子中腸免受氧化應(yīng)激損傷,。它也是瘧原蟲外鞭毛激發(fā)子,,能夠增加瘧原蟲在蚊子中的感染性,。3-HK和XA在蚊子中的具體作用取決于它們在體內(nèi)的動態(tài)變化和蚊子的生理狀況,。除通過犬尿氨酸途徑代謝外,,一小部分Trp用于a的5-HT合成,。5-HT是蚊子體內(nèi)一種已被充分描述的神經(jīng)激素,可調(diào)節(jié)蚊子的生長,、繁殖和代謝,。色氨酸代謝產(chǎn)物的多種功能使得色氨酸代謝在蚊子生理中不可或缺。
微生物菌群在決定按蚊傳播瘧原蟲的能力方面起著重要作用,。通過抗生素去除腸道菌群的蚊子,,其表現(xiàn)出免疫活性降低以及對寄生蟲感染的易感性增加。包括Asaia sp.和沙雷氏菌在內(nèi)的多種寄居細(xì)菌的再定植,,能夠刺激免疫效應(yīng)器的表達(dá),,從而抑制瘧原蟲感染。除了增強(qiáng)蚊子的基礎(chǔ)免疫反應(yīng)外,,腸道菌群還直接通過分泌抗瘧原蟲蛋白來抑制瘧原蟲,。腸道菌群的穩(wěn)態(tài)在保護(hù)PM結(jié)構(gòu)的完整性從而保護(hù)蚊子免受按蚊病原體入侵方面也至關(guān)重要,但其機(jī)制仍不清楚,。我們的研究表明,,微生物群通過降解PM損傷誘導(dǎo)的3-HK從而對PM起到保護(hù)作用3-HK增加了卵動蛋白體和卵囊的數(shù)量,,但沒有增加外鞭毛率,,這表明它假定的作用是損害中腸屏障功能,而不是寄生蟲的發(fā)育,。在我們的隨訪研究中,,我們證明3-HK通過抑制Per1的表達(dá)進(jìn)而損害PM的完整性。因此,,3-HK通過損害PM結(jié)構(gòu)進(jìn)而增加柏氏瘧原蟲的感染是合理的,。
我們首先使用抗生素來處理蚊子,以探究蚊子的微生物菌群在Trp代謝中作用,。雖然說抗生素(包括青霉素,、鏈霉素和慶大霉素)通常用于清除蚊子的微生物菌群,但已有的研究表明,,動物長期暴露于這些以及其他抗生素可以誘導(dǎo)生殖損傷、線粒體功能障礙以及氧化損傷,。但是它們對蚊子的直接影響仍有待確定,。通過對蟲卵進(jìn)行表面滅菌同時所有發(fā)育階段均在無菌環(huán)境中飼養(yǎng)能夠產(chǎn)生無菌伊蚊,但無菌按蚊幼蟲未能成熟發(fā)育到成蟲期,。開發(fā)無菌按蚊模型是未來研究微生物菌群與蚊子串?dāng)_的替代方法,。在伊蚊中,,與無菌蚊子相比,正常蚊子微生物群的定植與無菌蚊子中對蚊子的轉(zhuǎn)錄組具有有限的影響,。然而,,多個差異調(diào)控基因與代謝相關(guān),這表明微生物菌群對蚊子的代謝方面具有影響,。不同蚊子種類,、以及他們的生活環(huán)境和、飲食構(gòu)成都可能導(dǎo)致蚊子的微生物菌群產(chǎn)生不同的調(diào)節(jié)作用,。為了驗證腸道菌群參與了Trp代謝,,隨后我們分析了斯氏按蚊的種群結(jié)構(gòu),并利用包括基因組測序,、代謝組學(xué)分析和基因突變在內(nèi)的多種實驗方法證明了產(chǎn)堿假單胞菌參與了3-HK的分解代謝,。進(jìn)一步,我們驗證了產(chǎn)堿假單胞菌通過分解代謝3-HK保護(hù)蚊子PM,。因此,,我們的結(jié)果證明微生物介導(dǎo)的3-HK分解代謝可以保護(hù)蚊子PM,增強(qiáng)了蚊子抵抗瘧原蟲感染的能力,。然而,,3-HK調(diào)控Per1表達(dá)的機(jī)制仍不清楚。除了影響主要PM蛋白的表達(dá),,3-HK可能通過其他未知機(jī)制損害PM結(jié)構(gòu),。本研究中,在蚊子生理濃度下補(bǔ)充XA未能促進(jìn)寄生蟲的感染,。其原因可能是當(dāng)斯氏按蚊在感染柏氏瘧原蟲24 h后,,喂食蚊子的XA可能會失去其原本的作用。
假單胞菌普遍存在與許多蚊子物種中,。我們證明產(chǎn)堿假單胞菌通過促進(jìn)3-HK的分解代謝有助于抵御瘧原蟲的侵襲,。KynU負(fù)責(zé)3-HK降解。但我們在體內(nèi)未檢測到下游產(chǎn)物CA,,這可能是由于其豐度較低導(dǎo)致,。在血餐后,我們在被清除掉微生物的蚊子和正常按蚊之間也沒有觀察到CA水平的差異,。CA的產(chǎn)生可能由蚊子和微生物群基因共同介導(dǎo)的,。微生物菌群的消除可能促進(jìn)了CA由蚊子這一途徑進(jìn)行合成。無論是外源性補(bǔ)充3-HAA還是補(bǔ)充CA對斯氏按蚊瘧原蟲感染均無影響,,進(jìn)一步表明產(chǎn)堿假單胞菌在保護(hù)PM中的作用,。盡管與野生型相比,KynU突變降低了產(chǎn)堿假單胞菌對柏氏假單胞菌感染的抑制作用,但與抗生素處理相比,,其定植仍增加了蚊子對寄生蟲的耐藥性,。這些結(jié)果,產(chǎn)堿假單胞菌在抑制氏假單胞菌感染中起雙重作用--通過降解毒性3-HK以及增強(qiáng)蚊子免疫反應(yīng)從而保護(hù)PM,。綜上所述,,我們的分析證明了由腸道菌群調(diào)節(jié)的蚊子色氨酸代謝如何影響中腸屏障功能和載體能力。調(diào)節(jié)細(xì)菌和蚊子中的色氨酸代謝途徑可能代表了蚊子調(diào)控的新策略,。

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