耳念珠菌感染新机制：异源铁载体转运蛋白基因表达与谱系特异性丝状化在斑马鳉鱼模型中的发现

《Communications Biology》：Xenosiderophore transporter gene expression and clade-specific filamentation in Candida auris killifish (Aphanius dispar) infection

本研究针对耳念珠菌(C. auris)在体内感染过程中基因表达谱缺失的瓶颈，利用斑马鳉鱼(AK)卵黄囊显微注射模型，首次在人体温度下对五个主要谱系(I-V)进行了宿主-病原体双RNA-seq分析。研究发现，耳念珠菌在感染过程中普遍上调表达一个扩展的异源铁载体转运蛋白候选基因家族(XTC)，其中包含一个亚类——血红素转运相关基因(HTR)。此外，研究还揭示了谱系V在体内形成丝状体的独特能力，以及谱系I和IV表现出更强的毒力。这些发现为理解耳念珠菌的致病机制提供了新的视角，并揭示了铁代谢在感染中的核心作用。

　　

耳念珠菌(Candida auris)是世卫组织(WHO)列出的“关键优先”真菌病原体，其临床管理极具挑战性，不仅死亡率高，且耐药性迅速增加，常引发院内暴发。然而，理解其致病性的一个关键瓶颈在于缺乏其在体内感染过程中的基因表达谱数据。现有研究多局限于体外模型或免疫抑制动物模型，无法真实反映病原体在活体组织中的转录状态。为了填补这一空白，研究人员开发了一种新型的体内感染模型，旨在揭示耳念珠菌在感染过程中的核心策略。

为了回答这些问题，研究人员在《Communications Biology》上发表了一项研究，他们利用斑马鳉鱼(Arabian killifish, AK)胚胎卵黄囊显微注射模型，在人体温度(37°C)下，对耳念珠菌的五个主要谱系(I-V)进行了感染研究。通过宿主-病原体双RNA测序(dual host-pathogen RNA-seq)技术，他们首次在体内组织感染背景下，全面解析了耳念珠菌的转录组特征。研究发现，耳念珠菌在感染过程中普遍上调表达一个扩展的异源铁载体转运蛋白候选基因家族(XTC)，其中包含一个亚类——血红素转运相关基因(HTR)。此外，研究还揭示了谱系V在体内形成丝状体的独特能力，以及谱系I和IV表现出更强的毒力。这些发现为理解耳念珠菌的致病机制提供了新的视角，并揭示了铁代谢在感染中的核心作用。

关键技术方法

本研究主要采用了斑马鳉鱼(AK)胚胎卵黄囊显微注射模型，在37°C下模拟耳念珠菌感染。通过组织学染色、菌落形成单位(CFU)计数和双RNA测序(dual RNA-seq)技术，分析了五个主要谱系(I-V)的毒力、形态和基因表达差异。利用定量PCR(qRT-PCR)验证了关键基因的表达，并通过系统发育分析、功能富集分析和蛋白质结构预测等方法，对差异表达基因家族进行了深入表征。

研究结果

1. 在斑马鳉鱼中建立耳念珠菌感染模型

研究人员成功建立了斑马鳉鱼卵黄囊显微注射模型，在37°C下验证了该模型支持耳念珠菌的活跃感染。所有五个谱系均能导致胚胎死亡，其中谱系I和IV表现出更强的毒力，导致更早的致死性。组织学分析显示，除谱系V外，其他谱系在体内外均以出芽酵母形态为主。而谱系V菌株在体内感染时，主要形成丝状形态，这一发现为研究其形态发生提供了独特的视角。

2. 宿主对耳念珠菌感染的反应

宿主转录组分析显示，对耳念珠菌的应答是谱系特异性的。在感染谱系IV时，宿主显著上调了血红素加氧酶(HMOX)基因的表达，这是营养免疫(nutritional immunity)中限制铁元素的关键机制。这一发现与谱系IV菌株上调表达血红素转运相关(HTR)基因相呼应，揭示了宿主与病原体在铁元素争夺上的特异性相互作用。

3. 耳念珠菌在体内与体外的基因表达差异

通过比较体内感染与体外培养的转录组，研究人员发现耳念珠菌在体内感染时，其基因表达谱发生了显著改变。在体内感染中，多个异源铁载体转运蛋白候选(XTC)基因和糖转运蛋白基因被显著上调，而一些药物外排泵(如MDR2)和毒力因子(如SAP3)则被下调。这表明，在营养受限的体内环境中，耳念珠菌优先表达与营养获取相关的基因，并可能为了适应体内环境而牺牲了部分耐药性和毒力。

4. 毒力与丝状化背后的转录差异

对毒力更强的谱系(I和IV)的分析发现，其上调表达的基因中包含了位于交配型基因座(MTL)的非交配相关基因，提示MTL可能通过非经典途径参与毒力调控。对形成丝状体的谱系V的分析则发现，其上调了多个与丝状化相关的经典调控因子(如UME6和HGC1)和细胞壁相关基因(如SCF1)。这表明，耳念珠菌保留了与白色念珠菌(C. albicans)相似的丝状化调控程序，并在谱系V中被激活。

5. 异源铁载体转运蛋白候选(XTC)和血红素转运相关(HTR)扩展基因家族

鉴于SIT1同源基因在转录组分析中的突出地位，研究人员对该扩展基因家族进行了系统表征。他们将该家族命名为异源铁载体转运蛋白候选(XTC)和血红素转运相关(HTR)基因。系统发育分析显示，XTC基因在耳念珠菌及其近缘种中发生了显著扩张，而在其他人类致病真菌(如白色念珠菌)中则较少见。相反，HTR基因在真菌界中分布更广。这一发现揭示了耳念珠菌在铁获取机制上的独特性，并提示其可能与其海洋起源的进化适应有关。

研究结论与讨论

本研究首次在体内组织感染背景下，对耳念珠菌五个主要谱系的转录组进行了全面解析。研究不仅证实了斑马鳉鱼卵黄囊显微注射模型是研究人类真菌病原体体内毒力的有力工具，还揭示了耳念珠菌在感染过程中的核心转录特征。

研究最重要的发现之一是，耳念珠菌在感染过程中普遍上调表达一个扩展的异源铁载体转运蛋白候选(XTC)基因家族。该家族包含一个亚类——血红素转运相关(HTR)基因。这一发现将铁代谢置于耳念珠菌致病机制的核心位置。宿主在感染谱系IV时上调HMOX基因，而谱系IV菌株则上调HTR基因，这构成了一个清晰的宿主-病原体相互作用轴，即宿主通过限制铁来抑制病原体，而病原体则通过上调铁转运蛋白来获取铁。这种对铁的激烈争夺，凸显了铁代谢作为潜在治疗靶点的重要性。

此外，研究还揭示了耳念珠菌的谱系特异性差异。谱系I和IV表现出更强的毒力，而谱系V则保留了在体内形成丝状体的能力。这些差异与不同的转录程序相关，表明耳念珠菌的不同谱系可能采用了不同的策略来适应宿主环境。谱系V的丝状化能力，结合XTC基因家族的扩张，进一步支持了耳念珠菌可能起源于海洋环境的假说。

综上所述，本研究不仅为理解耳念珠菌的致病机制提供了宝贵的体内转录组数据，还揭示了XTC/HTR基因家族作为其核心毒力特征的重要性。这些发现为开发针对铁代谢的抗真菌新策略提供了理论基础，并强调了针对不同谱系采取差异化治疗策略的必要性。