《Parasitology》：Integrated transcriptomic and metabolomic profiling reveals dynamic host-pathogen interactions during Theileria annulata infection in bovine erythrocytes and leukocytes
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本研究针对环形泰勒虫感染牛宿主细胞过程中分子互作机制不清的问题，整合转录组与代谢组技术，系统解析了该虫在白细胞（裂殖体期）和红细胞（梨浆体期）内的阶段特异性重编程特征。研究发现感染白细胞激活免疫信号与氨基酸代谢，而感染红细胞则侧重谷胱甘肽代谢与氧化还原稳态；鉴定出多个阶段特异性转录因子和代谢通路，为开发精准诊断工具和靶向干预策略提供了新靶点。
在广袤的牧场中，一种名为环形泰勒虫的微小原生动物寄生虫正悄然威胁着畜牧业的发展。这种由璃眼蜱传播的血液寄生虫，可引发牛热带泰勒虫病，导致牲畜高热、贫血、生产力下降甚至死亡，给亚洲、北非等热带和亚热带地区的畜牧业造成巨大经济损失。仅印度每年因该病造成的损失就高达8亿美元，而联合国粮农组织估计全球每年因泰勒虫病导致的损失约为70亿美元。在中国，环形泰勒虫主要分布于北方地区，但南方亦有报道，已成为制约畜牧业可持续发展的重大障碍。
环形泰勒虫的生命周期复杂而精巧。它在蜱体内进行有性繁殖，在牛体内进行无性发育。当寄生虫侵入牛白细胞后，会转化为多核的裂殖体，这一阶段堪称寄生虫的“操纵大师”。它们能重编程宿主细胞的信号通路，抑制细胞程序性死亡，并诱导宿主细胞不受控制地增殖，犹如将白细胞“劫持”为寄生虫的繁殖工厂。通过裂殖生殖，裂殖体最终分化为裂殖子，并侵入红细胞发育为梨浆体，完成其生命周期。尽管科学家们对环形泰勒虫的研究已持续数十年，但对其在不同细胞内阶段如何精确调控宿主细胞功能的分子机制仍知之甚少，特别是对红细胞内梨浆体阶段的宿主-寄生虫相互作用了解更少。
为了深入揭示这一复杂过程，研究人员在《Parasitology》上发表了题为“Integrated transcriptomic and metabolomic profiling reveals dynamic host-pathogen interactions during Theileria annulata infection in bovine erythrocytes and leukocytes”的研究论文。该研究创新性地将转录组学与代谢组学相结合，系统描绘了环形泰勒虫在牛白细胞和红细胞内感染过程中的动态分子图谱。
研究人员首先通过实验感染6月龄牛只，在感染后3-4周采集血液样本，并分别分离出未感染和感染的白细胞及红细胞。同时，还纯化了寄生虫的裂殖体和梨浆体阶段。研究设计了三个核心对比组：纯化寄生虫阶段对比、感染与未感染牛外周血单核细胞对比、感染与未感染牛红细胞对比。技术方法上，主要运用了RNA测序技术和非靶向代谢组学分析。RNA-seq通过Illumina NovaSeq 6000平台进行双端150bp测序，使用HISAT2将高质量序列比对至牛和环形泰勒虫的参考基因组，并通过DESeq2进行差异表达分析。代谢组学则采用超高效液相色谱-质谱联用技术，在正负离子模式下检测代谢物，通过Compound Discoverer软件进行峰识别和定量，并结合KEGG数据库进行通路富集分析。此外，研究还进行了多组学整合分析，通过计算基因表达与代谢物丰度之间的相关性，并利用KEGG数据库识别共享的生物学通路。
研究结果揭示了环形泰勒虫感染过程中丰富的分子重编程现象：
阶段特异性转录组和代谢组特征
通过比较裂殖体和梨浆体阶段，研究发现环形泰勒虫表现出明显的阶段特异性分子特征。在裂殖体阶段，检测到1537个寄生虫基因和1622种代谢物的表达；而在梨浆体阶段，则检测到1553个寄生虫基因和1193种代谢物。差异分析鉴定出125个裂殖体富集基因和104个梨浆体富集基因，以及310个差异代谢物。这些代谢物主要属于脂类和类脂分子、有机酸及其衍生物等类别。通路富集分析显示，裂殖体样本中，谷胱甘肽代谢、精氨酸生物合成、氧化磷酸化和TCA循环等通路显著富集；而梨浆体样本则表现出不同的代谢特征。
宿主白细胞和红细胞在环形泰勒虫感染前后的转录组变化
在白细胞感染模型中，感染细胞与未感染细胞在转录组水平上明显分离。差异表达分析发现，感染白细胞中6480个基因下调，4358个基因上调。GO富集分析表明，这些差异基因富集于免疫相关过程、线粒体组织和氧化应激调节等通路。KEGG分析进一步支持了NF-κB、T细胞受体、Toll样受体和JAK-STAT等免疫信号通路的参与。由于成熟红细胞是无核细胞，研究人员主要分析了红细胞区室中的寄生虫转录本。代谢组学分析显示，感染红细胞中有726种代谢物发生显著变化，其中259种上调，467种下调。
宿主细胞代谢谱在环形泰勒虫感染期间的动态变化
主成分分析显示，感染和未感染样本在代谢组水平上明显分离。在感染白细胞中，有机酸和衍生物、脂类和类脂分子以及核苷和核苷酸的相对比例发生了显著变化。KEGG注释表明，大多数差异代谢物映射到广泛的代谢通路和氨基酸代谢。具体而言，感染白细胞中色氨酸代谢、嘧啶代谢、甘油磷脂代谢和β-丙氨酸代谢等通路显著富集；而感染红细胞则显示出细胞色素P450对外源物的代谢、胆汁分泌、谷胱甘肽代谢、铁死亡和神经活性配体-受体相互作用等通路的富集。
环形泰勒虫感染期间宿主转录组和代谢组变化的整合分析
整合分析揭示了感染诱导的宿主细胞生物合成和代谢程序的重塑。在感染白细胞中，协同惯性分析显示5-羟色氨醇、L-苹果酸、N-乙酰-D-葡萄糖胺和5-氧代脯氨酸等代谢物对联合变异贡献较大，表明氨基酸周转和线粒体功能受到干扰。整合的KEGG通路富集分析揭示了色氨酸代谢、铁死亡、嘧啶代谢、血清素能突触和维生素消化吸收等通路的共同富集。Pathview图谱显示，编码线粒体氧化磷酸化组分的转录本广泛下调，表明能量产生受损。在感染红细胞中，谷胱甘肽、烟酰胺、吲哚乳酸和牛磺脱氧胆酸盐等代谢物是主要的共同贡献者，表明氧化还原失衡、胆汁酸代谢和微生物副产物在感染红细胞生理中起作用。整合分析显示谷胱甘肽代谢、细胞色素P450对外源物的代谢、氨基糖和核苷酸糖代谢以及胆汁分泌等通路富集，Pathview可视化显示谷胱甘肽代谢通路在转录和代谢物水平均发生广泛破坏。
研究结论与讨论部分强调，这项研究通过整合转录组学和代谢组学分析，揭示了环形泰勒虫感染在牛白细胞和红细胞中诱导的细胞类型特异性分子重编程。研究发现，感染白细胞主要表现出免疫激活、氨基酸代谢和能量产生通路的激活，而感染红细胞则侧重于氧化还原稳态和解毒通路。这种差异反映了寄生虫根据不同宿主细胞环境调整其生存策略的显著可塑性。研究还鉴定出多个阶段特异性的转录因子和代谢通路，为理解寄生虫的致病机制和开发新型防控策略提供了重要线索。值得注意的是，环形泰勒虫这种精确适应不同宿主细胞环境的能力，是其成功在宿主体内持续存在的关键机制。这些发现不仅深化了对宿主-寄生虫相互作用的理解，也为未来开发针对环形泰勒虫感染的诊断工具和治疗策略奠定了坚实基础。
