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合作文献|我司协助客户在CEll子刊上发表代谢文章

合作文章 2019-12-02 13:31

我司近期协助中科院生物物理所在CELL子刊《Cell Host & Microbe》(IF=15.75)发表文章“Sugar Alcohols of Polyol Pathway Serve as Alarmins to MediateLocal-Systemic Innate Immune Communication in Drosophila.” 揭示了小分子代谢物--糖醇在器官间免疫通讯过程中的作用和机制。

文章亮点

果蝇肠道IMD（先天免疫信号通路）的激活会进一步通过血液传递到脂肪体（果蝇的免疫器官）最终激活系统性免疫。果蝇肠道IMD的激活会导致血液中糖醇含量的上升。血液中的糖醇起到器官间通讯信号的作用，最终激活系统性免疫。跨器官免疫激活机制是血液中的糖醇激活Mmp2（金属蛋白酶）并进一步切割PGRP-LCx（肽聚糖识别蛋白受体）导致。

研究背景

先天免疫是宿主防御的重要防线，不仅能够感知和抵抗局部的病原体，同时还能监控并传递免疫信号，最终激发整体/系统性免疫应答。无论动物还是植物，这种从局部到整体的免疫信号的传递，势必要求宿主拥有高效而完善的信号传递系统。目前小分子代谢物如嘌呤和尿酸等在信号传递系统中的作用已经有所研究，但代谢物相关的先天免疫信号在器官间的传递机制还远未解析清楚。

研究方法

技术：qRT-RCR，gal4-UAS转基因系统，GC-MS，LC-MS

数据分析：SIMCA（差异代谢物分析），MetaboAnalyst 3.0（通路分析）

研究结果

通过观测果蝇3龄幼虫感染软腐病菌（Ecc15）后抗菌肽（Diptericin）转录本的表达量，课题组首先发现果蝇肠道的先天免疫信号通路，即IMD通路（与人类的NF-kB通路同源）的激活，其免疫应答不仅局限于肠道，甚至可以影响远端中枢免疫器官脂肪体（类似肝组织，果蝇的主要免疫器官）介导的系统性免疫应答，而且免疫应答的激活在肠道和系统之间存在延迟（图一）。

图一果蝇感染软腐病菌后不同器官抗菌肽mRNA的表达量

随后通过比较野生型果蝇与先天（l(3)hem2）及人工改造（reaper）的血细胞缺陷突变体（均为血细胞凋亡）证实了免疫信号的传递依赖于果蝇血细胞；如果血细胞凋亡，肠道局部的免疫应答不受影响，抗菌肽的转录仍然上调，但不能激活脂肪体的系统性免疫，脂肪体的抗菌肽的转录不上调（图二）。

图二野生型果蝇（W 1118）与突变体（l(3)hem2和reaper）感染软腐病菌后不同器官抗菌肽mRNA的表达量

为找出果蝇血液中传递免疫信号的因子，潘磊课题组采用了代谢组学技术进行搜索和筛选。通过比较果蝇在肠道感染细菌前后血液的代谢组差异（图三）并结合通路分析，发现感染后并有免疫应答的果蝇，其血液中多元醇代谢通路（dAR1基因，同源基因为人类醛糖还原酶）被激活；葡萄糖和半乳糖含量下降，对应的代谢物山梨醇和半乳糖醇的含量上升。

图三果蝇感染前后代谢组的差异代谢物

通过果蝇脂肪体孵育实验证实，山梨醇和半乳糖醇能够特异性地激活脂肪体介导的系统免疫应答，引起抗菌肽转录的上调（图四A）。这两种糖醇相关的多元醇通路（daR1）亦被激活（上调）（图四B），如果daR1失效（先天缺陷或人工沉默）会影响抗菌肽的表达，导致不能传递系统性免疫（图四C&D）。

图四糖醇影响下果蝇抗菌肽mRNA的表达量（A）；感染软腐病菌后多元醇通路关键酶daR1的mRNA表达量（B）及daR1失效后果蝇抗菌肽mRNA的表达量

进一步的机制研究发现，山梨醇和半乳糖醇可以上调脂肪体上的金属蛋白酶（Mmp2）的转录，这和感染病菌后十分类似（图五A&B）；同时，如果通过RNAi和EDTA沉默或抑制Mmp2，果蝇就不能表现出系统性免疫，抗菌肽的转录不出现上调（图五C&D），说明Mmp2是受控于糖醇且在器官间免疫信号传递中起到关键作用的一环。

图五 Mmp2酶mRNA的表达量及其影响下果蝇抗菌肽mRNA的表达量

最后通过免疫共沉淀实验，发现Mmp2酶具有切割天然免疫通路中的PGRP-LCx的能力（图六），最终激活脂肪体介导的系统性免疫应答。

图六 Mmp2酶正常表达和RNAi后对PGRP-LCx的切割能力

总结
通过局部免疫系统评估病理或生理损伤，从而预警并调节系统性免疫应答，对于机体的免疫稳态和健康具有重要的意义。该研究应用代谢组学技术并结合分子生物学，发现小分子糖醇可以作为免疫预警信号，并在此基础上精细解析了先天免疫通路在肠道-脂肪体的信号通讯过程，为免疫应答机理和后续的干预治疗提供了新的视角和思路。

文献链接(请手动复制至预览器查看)

https://www.cell.com/cell-host-microbe/fulltext/S1931-3128(19)30345-2

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