阴道毛滴虫抗菌工具包的进化保守性与微生态靶向机制解析

《Molecular Biology and Evolution》：An evolutionarily conserved laterally acquired toolkit enables microbiota targeting by Trichomonas

本研究针对 Trichomonas 属原生动物与宿主黏膜菌群的相互作用机制不明问题，通过比较转录组学与功能实验，系统揭示了 Trichomonas gallinae 与大肠杆菌共培养时激活的保守抗菌分子工具包。该工具包包含多种水平基因转移（LGT）来源的肽聚糖（PG）水解酶（如 GH19、GH25 溶菌酶、GH3 NagZ 样葡萄糖胺酶、NlpC/P60 内肽酶）和抗菌肽（AMP-Lcn972），可协同降解细菌细胞壁并抑制其合成，促进病原体利用菌群营养并可能驱动微生态失调。研究为理解 Trichomonas 的宿主适应性、炎症性疾病关联及人兽共患传播潜力提供了分子基础，发表于《Molecular Biology and Evolution》。

　　

在动物黏膜表面，有一类名为 Trichomonas（毛滴虫）的专性细胞外寄生原生动物，它们与宿主和局部菌群间存在复杂的相互作用。例如，感染人类的 Trichomonas vaginalis（阴道毛滴虫）常与细菌性阴道病（bacterial vaginosis）共存，其特征是乳酸杆菌（Lactobacillus）减少而厌氧菌增多，这种微生态失调（dysbiosis）状态会加剧炎症和组织损伤。然而，毛滴虫如何精准调控菌群组成，乃至促进自身在鸟类和哺乳类中的宿主转移（如人兽共患病事件），其分子机制一直模糊不清。

为揭开这一谜题，英国纽卡斯尔大学的研究团队选择感染鸽子的 Trichomonas gallinae 为模型，将其与大肠杆菌（Escherichia coli）共培养，结合比较转录组学、基因组学与生化实验，系统挖掘了毛滴虫靶向细菌的分子工具包。研究发现，共培养不仅提升了毛滴虫的运动能力和持久存活能力，还诱导了56%的蛋白编码基因表达变化。进一步分析揭示，这些基因中隐藏着一组通过水平基因转移（LGT）从细菌获得的保守酶系与肽类，包括可水解肽聚糖（PG）β-1,4-糖苷键的GH19与GH25家族溶菌酶（muramidase）、切割PG肽桥的NlpC/P60内肽酶、类似NagZ的β-N-乙酰葡萄糖胺酶（GH3），以及靶向细菌细胞壁前体Lipid II的抗菌肽Lcn972。

功能验证表明，重组表达的T. gallinae GH19（TGA_001274700.1）和T. vaginalis GH19（TVAGG3_0677660）能有效降解大肠杆菌PG，产生典型溶菌酶水解产物，且突变体（E202Q）失活；而它们对几丁质无活性，证实其为专性溶菌酶而非几丁质酶。此外，毛滴虫具备完整的N-乙酰葡萄糖胺（GlcNAc）代谢通路，共培养中可利用PG降解产物GlcNAc作为碳源提升ATP产量，这解释了其在与细菌共存时的生长优势。

电镜观察还发现，毛滴虫与大肠杆菌会形成特殊的“口袋状”膜接触结构，虽未发生完全吞噬，但为局部酶解与物质交换提供了界面。系统发育分析显示，上述工具包成员在T. vaginalis、T. tenax（口腔毛滴虫）和T. gallinae中高度保守，且其基因起源可追溯至感染鸽类的毛滴虫祖先，提示这一机制可能助其在鸟类-哺乳类宿主转移中适应新菌群环境。

关键实验技术

本研究通过 Trichomonas gallinae 与 Escherichia coli DH5α 的体外共培养模型，结合血细胞计数与活细胞动态追踪分析寄生虫适应性变化；利用透射电镜（TEM）观察细胞间相互作用；采用RNA测序（RNA-seq）及差异表达分析（edgeR）筛选细菌响应基因；通过异源表达与纯化获得重组蛋白，以高效液相色谱（HPLC）及质谱验证酶活性；基于系统发育树（IQ-TREE）与结构预测（AlphaFold2）解析基因进化与功能结构域。

研究结果

1. 细菌共培养提升毛滴虫适应性

与单独培养相比，共培养48小时后T. gallinae密度显著提高2.3倍，运动速度增加（如4小时中位数速度自6.6μm/s升至10.2μm/s），且鞭毛动力相关基因（如kinesin-II、tubulin-tyrosine ligase）表达上调。

2. 毛滴虫与细菌形成特异膜接触

电镜显示，两者通过膜内陷形成“口袋”结构，细菌被部分包裹但未被吞噬，提示存在表面受体介导的相互作用。

3. 共诱导转录组揭示抗菌工具包

56%的基因表达受调控，其中显著上调的包括GH19、GH25、GH3、NlpC/P60等PG水解酶及AMP-Lcn972。工具包成员在 Trichomonas 属中保守，且具细菌起源特征。

4. GH19为活性溶菌酶

生化实验证实GH19可水解PG的MurNAc-GlcNAc键，对几丁质无活性；催化位点突变体功能丧失。

5. GH3具NagZ样特征

序列分析显示GH3含NagZ共识模体与关键催化残基，可能参与PG碎片降解。

6. 毛滴虫利用PG产物代谢

T. gallinae能以GlcNAc为碳源增强ATP合成，且拥有完整GlcNAc糖酵解通路。

7. AMP-Lcn972具潜在抑菌活性

AMP结构类似细菌Lcn972，表达时对大肠杆菌产生毒性，可能通过抑制Lipid II阻断PG合成。

结论与意义

本研究首次系统揭示了 Trichomonas 属通过LGT获得的保守抗菌分子工具包，其通过协同靶向细菌PG合成与降解，使寄生虫能够重塑黏膜菌群、摄取营养并可能驱动微生态失调。该机制不仅解释了毛滴虫在感染中与菌群失调的关联（如乳酸杆菌耗竭），也为理解其跨宿主传播（如鸟类至人类）提供了进化视角。未来研究可聚焦工具包成员在宿主体内的调控机制及其在炎症反应与疾病进展中的直接作用，为抗寄生策略提供新靶点。