沙门氏菌感染蟑螂的多组学分析揭示昆虫宿主肠道定植的分子特征与免疫代谢调控新机制

《BMC Genomics》：Multi-omics of cockroaches infected with Salmonella Typhimurium identifies molecular signatures of vector colonization

本研究针对蟑螂作为沙门氏菌生物传播媒介的分子机制尚不明确的问题，通过转录组与蛋白质组多组学整合分析，首次系统揭示了沙门氏菌感染蟑螂肠道后引发的单羧酸代谢重编程、活性氧清除系统激活、谷胱甘肽-S-转移酶(GST)表达上调及过敏原(Bla g 5/8)产量增加等关键分子事件。该研究为理解昆虫宿主-病原体互作提供了新视角，对控制蟑螂传播疾病具有重要公共卫生意义。

　　

在城市的角落，一种看似不起眼却与人类健康息息相关的昆虫——德国小蠊（Blattella germanica），长期以来被怀疑是多种肠道病原体的传播者。传统观点认为蟑螂只是机械携带病原体，但近年来的研究却颠覆了这一认知：它们可能是沙门氏菌等病原体的活跃生物传播媒介。特别是沙门氏菌鼠伤寒血清型（Salmonella enterica serovar Typhimurium，简称S. Typhimurium），这种在全球范围内引起公共卫生关注的模型病原体，被发现在蟑螂肠道内不仅能存活，还能增殖并随粪便传播，而不引起宿主明显病症。然而，这种独特共生关系背后的分子机制，尤其是蟑螂作为生态相关无脊椎宿主如何应对沙门氏菌定植，仍是一个未被深入探索的黑箱。

为了解决这一科学问题，并深入理解蟑螂传播沙门氏菌的分子基础，Pietri教授团队在《BMC Genomics》上发表了这项开创性的研究。他们首次将转录组学（Transcriptomics）和蛋白质组学（Proteomics）相结合，对沙门氏菌感染后的德国小蠊肠道进行了多组学分析，旨在绘制出宿主响应感染的全面分子图谱。

关键技术方法概述

本研究采用了严谨的实验设计。研究人员使用实验室饲养的德国小蠊美国Cyanamid Orlando品系，通过口服灌胃方式，使实验组感染S. Typhimurium参考菌株14028s，对照组则给予无菌LB培养基。感染后6小时（基于前期研究确定的关键反应时间点）采集蟑螂全肠道组织。随后，利用同一组织样本并行开展转录组和蛋白质组分析。转录组分析包括：使用TRIzol法提取总RNA，去除rRNA后构建文库，在NovaSeq 6000平台上进行高通量测序；对测序数据进行质控、去污和去rRNA处理后，使用Trinity软件进行从头（de novo）转录组组装和注释，并通过Salmon和DESeq2进行基因表达定量及差异表达分析。蛋白质组分析则通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术进行，蛋白质经胰酶消化后，通过Orbitrap Exploris 240质谱仪检测，使用MASCOT搜索引擎在德国小蠊UniProt数据库中进行肽段和蛋白质鉴定，并利用ProteolQ进行基于光谱计数的定量分析，同样使用DESeq2鉴定差异表达蛋白质。

研究结果

差异基因与蛋白表达谱

通过比较感染组与对照组蟑螂肠道的转录组和蛋白质组，研究人员鉴定出184个差异表达基因（DEGs），其中105个上调，79个下调。在蛋白质层面，鉴定出62个上调的差异表达蛋白（DEPs），未发现显著下调的蛋白。这一结果初步揭示了感染引发的广泛分子变化。

功能注释揭示关键分子

对差异表达基因的功能注释发现，上调最显著的基因包括已知的过敏原基因blag8（log₂FC = 22.48）以及一些功能尚未明确的信号蛋白。值得注意的是，免疫缺陷（Immune Deficiency, IMD）通路的关键转录因子relish基因表达显著下调，暗示沙门氏菌可能抑制了蟑螂经典的抗菌免疫反应。此外，谷胱甘肽-S-转移酶基因gstd1在转录水平下调，但其同源蛋白GST、GST1等在蛋白质水平却呈现上调，提示存在复杂的转录后调控。

基因功能富集分析指向代谢重编程

对上调基因的基因本体（Gene Ontology, GO）富集分析显示，感染蟑螂肠道中最显著富集的生物学过程与代谢密切相关，包括单羧酸代谢与转运、长链脂肪酸转运以及甘油三酯代谢。这表明沙门氏菌感染引发了蟑螂宿主的代谢状态转变，能量利用方式可能从糖代谢向脂代谢倾斜。

蛋白质功能富集分析强调氧化应激反应与过敏原产生

对上调蛋白质的GO富集分析则揭示了另一层面的宿主响应。最富集的生物学过程包括S-亚硝基化、活性氧（ROS）和自由基的响应与清除（如过氧化氢分解、超氧化物清除）。与此对应，多种抗氧化蛋白如过氧化物氧化还原酶（JAFRAC1）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）等表达上调，表明宿主正在积极应对感染可能带来的氧化压力。此外，肌肉相关过程富集，反映了肌球蛋白、原肌球蛋白等已知过敏原蛋白的上调。BLAG8本身也被鉴定为一种肌球蛋白链。

结论与讨论

本研究通过多组学整合分析，首次系统描绘了沙门氏菌感染蟑螂肠道所触发的分子事件全景图。研究最重要的发现之一是缺乏典型的IMD通路介导的抗菌免疫激活，取而代之的是relish转录因子的下调，这强烈暗示沙门氏菌在昆虫肠道中也能像在哺乳动物中一样，具备抑制宿主先天免疫的能力。这一发现为理解病原体在不同宿主中的免疫逃逸策略提供了新线索。

其次，研究揭示了感染伴随的显著代谢重编程。单羧酸和脂质代谢相关通路的上调，可能与满足感染期间的能量需求有关，也可能是一种耐受性反应的表现，因为沙门氏菌对蟑螂不表现出明显致病性。与此同时，蛋白质组水平的抗氧化系统全面激活，可能是对代谢增强伴随的活性氧水平升高的适应性反应，例如过氧化物氧化还原酶（JAFRAC1）在果蝇肠道感染中被证明对维持氧化平衡和促进生存至关重要。

另一个具有重要潜在应用价值的发现是，感染同时上调了蟑螂源性人类过敏原（如Bla g 5, Bla g 8）在基因和蛋白质水平的表达。这与此前研究发现抗生素处理降低蟑螂过敏原水平的结果相呼应，进一步证实了肠道微生物动态与过敏原产生之间存在紧密联系。这为通过调控微生物组来同时减轻蟑螂过敏原危害和病原体传播提供了理论依据。

此外，谷胱甘肽-S-转移酶（GST）在蛋白质水平的上调，将细菌感染与昆虫解毒代谢联系了起来。这支持了近期关于杀虫剂抗性与抗菌机制存在调控重叠的假说，提示杀虫剂暴露可能通过影响GST等因子，间接影响蟑螂对病原体的易感性（即媒介能力）。

总之，这项研究不仅是首例针对蟑螂载体感染人类肠道病原体的组学研究，也是首例在生态相关昆虫宿主中开展的沙门氏菌组学研究，为媒介传播传染病领域做出了开创性贡献。它所揭示的分子特征——包括免疫抑制、代谢重编程、氧化应激管理、解毒酶调控以及过敏原产生与微生物组的关联——为后续开展针对性的机制研究（如基因功能敲低实验）指明了方向，对发展新的病媒控制策略、减轻蟑螂对公共卫生的负面影响具有深远的科学意义和实践价值。尽管研究存在时间点单一、基因组注释有待完善等局限性，但其提供的高通量数据无疑为深入探索沙门氏菌-昆虫宿主互作的复杂世界打开了一扇新的大门。