血清蛋白质组学揭示牛对水牛蝇致皮肤病变易感性的免疫与炎症机制

《Scientific Reports》：Serum proteomic profiling reveals immune and inflammatory mechanisms driving susceptibility to buffalo fly-induced skin lesions in cattle

本研究针对水牛蝇（Haematobia irritans exigua）侵染导致牛皮肤病变的机制难题，通过纵向血清蛋白质组学分析，发现病变易感牛（HL）与抗性牛（NL）在基线期、病变形成期及抗原激发期存在显著差异蛋白表达谱。NL牛基线期高表达补体因子、免疫球蛋白等免疫相关蛋白，而HL牛病变期急性期蛋白和凝血因子显著上调。研究揭示了补体系统过度激活、炎症反应失调及凝血异常共同驱动病变发生，为开发早期诊断标志物和靶向治疗策略提供了重要依据。

　　

在澳大利亚畜牧业中，水牛蝇（Haematobia irritans exigua）的侵染不仅造成牲畜烦躁不安、生产力下降，更会引发疼痛性皮肤病变，导致皮革价值降低和市场准入受限。尤其值得注意的是，部分牛群极易发生皮肤病变（高病变组，HL），而另一些则表现出完全抗性（无病变组，NL）。这种易感性的差异并非单纯由寄生虫负荷决定，因为各组间水牛蝇数量并无显著差异，且病变中并未普遍检测到丝虫（Stephanofilaria spp.）。这强烈提示宿主自身的免疫和炎症反应机制是决定病变发生的关键。然而，驱动这种易感性差异的深层分子机制一直未被阐明。

为了揭示这一谜题，由Ali Raza和Peter James领导的研究团队在《Scientific Reports》上发表了最新研究成果。他们假设，病变易感牛和抗性牛在系统性免疫反应、炎症调控及组织修复能力上存在本质区别。为了验证这一假设，研究团队进行了一项精心设计的纵向研究，采用前沿的定量蛋白质组学技术，对病变易感（HL）和病变抗性（NL）牛只的血清蛋白质动态变化进行了精细刻画。

研究人员为开展此研究，主要应用了以下关键技术方法：研究选取了经过两年自然暴露于水牛蝇后明确分为HL和NL组的布兰格斯（Brangus）阉牛（样本队列来源），在基线期（无病变时）、病变形成后及皮内注射水牛蝇等抗原后三个时间点采集血清。利用ZenoTOF 7600质谱仪进行数据非依赖采集（DIA）的Zeno SWATH-MS分析，对血清蛋白质组进行定量检测。使用DIA-NN和PeakView软件进行数据预处理，并通过MSstats R包中的线性混合效应模型进行严格的统计学分析（显著性阈值设定为调整后P值<10^-5），以鉴定差异丰度蛋白（DAPs）。最后，利用STRING数据库和clusterProfiler R包对差异蛋白进行蛋白互作网络、基因本体（GO）功能富集和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路分析。

比较基线血清蛋白质组谱

在牛只均无病变的基线期（HL-0 vs NL-0），研究即发现了149个显著差异丰度蛋白。NL牛血清中补体因子（如C1R、C1Q、C4）、多种免疫球蛋白、甘露糖结合凝集素（MBL）等先天免疫相关蛋白丰度更高，提示其具备更强大的基础免疫防御状态。相反，HL牛则表现出角蛋白（KRT1, KRT8, KRT10）和促炎蛋白（如肽聚糖识别蛋白1, PGLYRP1）的基线水平较高，暗示其免疫系统可能更倾向于产生炎症反应。功能分析显示NL牛富集于补体激活、抗原呈递等免疫相关通路，而HL牛则富集于角质化和角质形成细胞分化等过程。

病变发展后血清蛋白质组谱的比较

当HL牛发展出皮肤病变后（HL-1 vs NL-1），蛋白质组谱发生显著转变。在146个差异蛋白中，有87个在HL牛中丰度更高，包括血清淀粉样蛋白A（SAA1）、C反应蛋白（CRP）、结合珠蛋白（HP）、脂多糖结合蛋白（LBP）等一系列急性期反应蛋白和炎症介质。同时，多种补体成分（C3、C4、C5a等）和凝血因子（F2、F5、F9等）也显著上调。

抗原攻击后的蛋白质组响应

在皮内注射水牛蝇抗原后（HL-2 vs NL-2），差异进一步加剧，共鉴定到162个差异蛋白。HL牛持续高表达急性期蛋白和炎症因子，如血小板因子4（PF4）、再生因子1（Regakine-1）、α-1-酸糖蛋白（AGP）以及触发受体表达于髓样细胞-1（TREM-1）等，这些蛋白与血小板活化、中性粒细胞招募和炎症放大密切相关。而NL牛则在抗原挑战后表现出更强的抗氧化防御能力，超氧化物歧化酶3（SOD3）和过氧化物氧还蛋白2（PRDX2）等蛋白丰度更高，有助于清除超氧化物自由基，减轻氧化应激损伤。NL牛还高表达与免疫调节（如MBL）和组织修复（如肝细胞生长因子激活剂，HGFAC）相关的蛋白。

共有和特有蛋白的分析清晰展示了HL牛在病变期和抗原攻击后持续性的炎症和凝血异常状态。

功能富集分析综合三个时间点的结果，系统描绘了HL牛中补体激活、急性期反应、凝血级联、白细胞介导的免疫等通路持续亢进，而NL牛则表现出更好的免疫调节和抗氧化能力。

该研究得出结论，牛对水牛蝇诱导皮肤病变的易感性取决于系统性的免疫、炎症、凝血和氧化应激反应的精细平衡。病变易感（HL）牛表现出一种失调的免疫表型：其补体系统过度激活，引发强烈的急性期反应和炎症反应，同时伴随凝血 cascade 的异常活化和抗氧化防御能力的相对不足。这种“完美风暴”般的组合导致了过度的炎症和组织损伤，阻碍了损伤的正常修复，最终促成慢性皮肤病变的形成和发展。尤为关键的是，研究证实这种易感性差异在接触水牛蝇之前（基线期）的血清蛋白质组中就已初现端倪，并且病变的发生与寄生虫负荷或丝虫感染无关，而是宿主对水牛蝇唾液抗原的特异性反应所致。

相反，病变抗性（NL）牛则拥有更为均衡的免疫系统。它们在基线期就具备更强的先天免疫基础（如补体功能和抗原呈递能力），在遭受攻击时能有效调控炎症，并通过强大的抗氧化机制（如SOD3、PRDX2）限制氧化损伤，从而成功抵御病变形成。研究鉴定出的关键差异蛋白，如SAA、CRP、HP、ITIH4、TREML1、PF4、PRDX2和SOD3等，构成了与病变易感性相关的核心血清生物标志物群。

这项研究的意义重大。它首次通过纵向血清蛋白质组学分析，系统揭示了水牛蝇皮肤病变易感性的分子基础，将宿主反应而非寄生虫负荷置于病变发生机制的核心位置。所发现的血清生物标志物具有巨大的转化潜力，未来或可用于开发早期诊断工具，在牛只年轻时期甚至出现病变前即筛选出易感个体，从而实现精准管理。更重要的是，这些靶点为开发干预策略（如调节补体活性、抑制特定炎症通路或增强抗氧化能力）以增强牛群对水牛蝇的抗性、改善动物福利和减少经济损失指明了新方向。当然，这些发现需要在更大规模的牛群中进行验证，并进一步通过功能实验和皮肤局部蛋白质组学分析来阐明这些系统标志物在皮肤局部病变发生中的具体作用机制。