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抗疟新武器!王四宝团队发现按蚊肠道天然抗疟共生细菌并解析其活性产物 精选

已有 2172 次阅读 2021-5-7 11:12 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2021年5月6日晚23时,国际学术期刊Nature Microbiology在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王四宝研究组的最新研究成果——“A natural symbiotic bacterium drives mosquito refractoriness to Plasmodium infection via secretion of an antimalarial lipase


该研究从我国疟疾媒介中华按蚊肠道内发现了具有天然抗疟活性的共生细菌——解脲沙雷氏菌(Serratia ureilytica)菌株Su_YN1,并深入揭示了该共生菌通过分泌抗疟蛋白脂肪酶AmLip杀灭疟原虫的分子机制。该项研究不仅为人们理解按蚊肠道菌抗疟机制提供了新的见解,也为从源头阻断疟疾传播提供了新武器。


王四宝研究员为该论文的通讯作者,博士后高涵和博士生白亮为共同第一作者。博士生蒋永茂王历历为共同作者。


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疟疾(Malaria)是由按蚊(Anopheles)叮咬传播疟原虫引起的寄生虫病。时至今日,疟疾这一古老的疾病依然威胁包括我国在内的全球100多个国家,每年夺走将近60万人的生命。由于缺乏高效的疫苗,控制疟疾传播目前主要依靠杀虫剂杀灭媒介蚊虫和青蒿素等疟疾治疗药物。


值得警惕的是,杀虫剂滥用造成的蚊虫抗药性,以及疟原虫逐渐对抗疟药物产生耐药性,使得近年来全球疟疾发病率不降反升。尤其是在毗邻中国南部的南亚次大陆的大湄公河区域,抗青蒿素和氯喹的多重抗药虫株出现并扩散,迫切需要科学家寻找阻断疟疾传播的新策略。

 

很早以前,科学家们就发现在疟疾传播媒介——按蚊的肠道中,栖息着丰富的肠道细菌,那么能否让这些细菌来充当抵抗疟疾传播的“卫士”呢?答案是肯定的。利用媒介肠道细菌阻断疾病传播的策略——共生控制(Paratransgenesis)是王四宝研究员多年来一直专注的研究领域。


近年来团队在Paratransgenesis领域内多次取得重大突破,不断推动该策略从实验室走向实际应用。例如利用多重抗疟效应分子联用的方法,实现了在按蚊肠道内高效抑制多种疟原虫的发育和感染(PNAS, 2012);首次发现了具有跨代传播特性的按蚊肠道沙雷氏菌AS1(Science, 2017),AS1表达抗疟分子后,可以快速在按蚊种群扩散并阻断疟疾传播;发现了依赖激活按蚊免疫反应,间接影响疟原虫传播的按蚊肠道细菌(Front Microbiol, 2019)。


为了克服转基因生物安全性的担忧并在实际应用中“大展身手”,正如王四宝研究员在受邀综述(Trends Parasitol, 2020)中所提出的一样,找到具有天然抗疟活性的肠道共生菌是解决这一问题的关键。

 

第一个问题来了,茫茫“菌”海,这样的细菌如何寻找呢?王四宝研究员首先想到了从我国的疟疾流行病学数据分析入手寻找线索。通过分析2000年开始多地的疟疾输入病例和原发病例,一个有意思的现象引起了他的注意:我国云南地区虽位于大湄公河区域北部,毗邻老挝、缅甸等疟疾高发病率多国,然而大量的间日疟输入病例并未能在当地形成传播态势,当地原发病例维持在极低的水平;反观我国其它地区,间日疟输入病例往往与当地原发病例呈现关联性。


这表明云南当地的疟疾媒介——中华按蚊(Anopheles sinensis)可能对疟原虫具有较高的抗性。研究团队在云南腾冲、江苏无锡、辽宁丹东野外采集了中华按蚊,通过感染测定,证实了云南腾冲中华按蚊确实对间日疟原虫具有较高的抗性。

 

第二个问题来了,“菌”海捞针,如何从云南中华按蚊肠道分离获得高活性的抗疟共生菌菌株呢?研究人员另辟蹊径,首先建立“共生菌富集”分离方法来排除非共生菌的影响,同时聚焦于不同地区核心菌群的分析,发现沙雷氏菌是中华按蚊的核心共生菌。通过对沙雷氏菌进行有目的性地分离,获得多株不同来源的沙雷氏菌株系。


有意思的是,测试这些菌株的抗疟活性发现,分离自云南中华按蚊肠道的解脲沙雷氏菌Su_YN1具有不依赖于宿主免疫系统的直接抗疟活性。通过对Su_YN1的代谢上清的抗疟活性测定,证实了Su_YN1分泌抗疟活性物质的现象。

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图注:按蚊肠道共生菌Su_YN1分泌抗疟蛋白脂肪酶AmLip杀灭疟原虫示意图。

 

第三个问题来了,“菌”谜重重,如何快速鉴定Su_YN1分泌的抗疟活性物质呢?在王四宝研究员的指导下,研究人员首先证实了Su_YN1的抗疟活性成分是蛋白质,然后通过将Su_YN1与另一株不具有抗疟能力的解脲沙雷氏菌Su_JS3分泌上清进行比较蛋白组学分析,结合基因敲除筛选,最终鉴定到了抗疟活性产物——分泌型蛋白脂肪酶AmLip。通过免疫荧光分析、表达重组蛋白、酶活关键位点突变和抗体中和等实验,证实了AmLip蛋白的直接抗疟活性。最后,在按蚊的定殖实验中,Su_YN1兼具水平和垂直传播能力。

 

该研究得到了来自包括云南腾冲市疾病预防控制中心李胜国主任和李希尚,江苏省寄生虫病防治研究所曹俊研究员和朱国鼎博士,中国疾病预防控制中心寄生虫病预防控制所王多全研究员,中国科学院上海巴斯德研究所江陆斌研究员及其实验室博士生黄正辉,美国约翰霍普金斯大学Marcelo Jacobs-Lorena教授及其实验室博士后黄威,以及本中心的詹帅研究员等在内的多方合作与鼎力支持。该研究受到国家自然科学基金、中国科学院、科技部等项目资助。

 

相关论文信息:

https://dx.doi.org/10.1038/s41564-021-00899-8




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2 姚伟 黄永义

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