铁调控通路在Galleria mellonella模型中Madurella mycetomatis颗粒形成过程中的差异表达研究

本研究针对真菌病原体Madurella mycetomatis引起的足菌肿病颗粒形成机制不明的问题，通过建立Galleria mellonella幼虫感染模型，结合转录组学和蛋白质组学技术，揭示了铁获取途径在颗粒形成中的关键作用。研究发现宿主和病原体分别通过转铁蛋白/铁蛋白和铁载体(SidA/SidD/SidI)系统竞争铁资源，LC-MS/MS证实了铁载体产生，为开发新型诊疗策略提供了潜在靶点。该研究发表在《Nature Communications》上。

　　

在热带和亚热带地区，一种被称为足菌肿(mycetoma)的慢性肉芽肿性感染正威胁着数百万人的健康。这种由真菌病原体Madurella mycetomatis引起的疾病，最显著的特征是在皮下组织中形成颗粒状结构(grain)。然而，这些神秘颗粒的功能和形成机制长期以来如同黑箱，严重制约了诊疗策略的开发。更令人担忧的是，现有治疗方案的失败率高达40%，部分原因正是这些颗粒对抗真菌药物产生了顽固的抵抗性。

面对这一挑战，来自荷兰和日本的研究团队独辟蹊径，选择了一种名为Galleria mellonella的大蜡螟幼虫作为模型生物。这种不起眼的昆虫具有与哺乳动物相似的先天免疫系统，却能规避哺乳动物模型的伦理限制，更重要的是它能完美模拟人类患者中观察到的颗粒形成过程。研究人员通过精妙的实验设计，在《Nature Communications》上发表的研究揭示了铁代谢在这场宿主-病原体博弈中的核心地位。

研究采用了多组学联用的技术路线：首先建立时间梯度感染模型(0/4/24/72/168小时)，通过RNA-Seq和低定量单链CAGE(LQ-ssCAGE)技术捕获宿主和病原体的转录动态；结合LC-MS/MS蛋白质组学分析铁限制条件下的分泌蛋白；运用RP-HPLC和质谱鉴定铁载体；最后通过体外铁剥夺/过载实验验证功能。样本来源于实验室培养的M. mycetomatis MM55菌株和商业采购的G. mellonella幼虫。

研究结果呈现出一幅铁资源争夺战的生动图景：

最大感染负荷出现在接种后3天
通过组织病理学观察，颗粒发育被划分为早期(4h)、未成熟(24h)、成熟(72h)和晚期(168h)四个阶段。成熟的颗粒被囊膜包裹，周围聚集着大量免疫细胞，而晚期颗粒则出现解体现象。

病原体转录本在颗粒中被检测到
尽管宿主RNA占比高达88.8%，但仍有0.01%的reads来自病原体。t-SNE聚类显示各时间点的转录特征明显，其中72小时(成熟颗粒期)检测到的病原体转录本最多。

G. mellonella差异表达基因(DEG)呈现颗粒发育阶段特异性表达
共鉴定到3498个宿主DEG，主要富集在氧化磷酸化(GO:0006119)、ATP代谢(GO:0046034)等能量通路，以及铁稳态相关基因如黑素转铁蛋白、细胞色素b561样蛋白等。特别值得注意的是，铁蛋白亚基(LOC113510017/018)和转铁蛋白(LOC113509694)在所有时间点持续表达。

M. mycetomatis基因在感染幼虫中差异表达
136个病原体DEG中，参与铁载体合成的L-鸟氨酸N(5)-单加氧酶(SidA)、非核糖体肽合成酶SidD等显著上调。蛋白互作网络分析显示这些基因与脂肪酸β氧化等代谢通路密切关联。

铁螯合相关基因差异表达并促进真足菌肿颗粒发育
在铁蛋白亚基mRNA的5'UTR中鉴定到典型的铁反应元件(IRE)茎环结构。体外实验证实M. mycetomatis能从全铁铁蛋白获取铁。LC-MS/MS检测到负责鸟氨酸羟化的SidA(57.4kDa)和合成镰刀菌素C的SidD(439.7kDa)。RP-HPLC在培养上清中发现m/z=855.2671的单电荷铁载体。

改变铁条件的影响
铁过载(FeCl₂/FeCl₃)导致颗粒数量减少(P=0.0242/0.0019)和体积缩小(P=0.0499)，并出现菌丝外溢现象；而铁限制(EDDA)使颗粒周围黑化加剧。

这项研究首次系统描绘了足菌肿颗粒形成过程中的分子对话图谱，特别是揭示了铁代谢在这场宿主-病原体拉锯战中的核心地位。从转化医学角度看，铁载体生物合成通路和铁获取机制为开发新型诊断标志物和治疗靶点提供了可能。例如，针对SidA/SidD的铁载体抑制剂，或利用铁载体-铁复合物作为影像诊断探针。此外，该研究建立的G. mellonella模型和产生的多组学数据，将持续为足菌肿研究提供宝贵资源。

研究也存在一定局限：昆虫模型缺乏适应性免疫应答，且铁载体的具体化学结构仍需进一步解析。未来研究可聚焦于：1)铁载体生物合成基因的遗传操作；2)铁螯合剂与现有抗真菌药物的协同效应；3)从实验室到临床的转化研究。这些方向将有助于破解足菌肿治疗的困境，为这种被忽视的热带疾病带来新的曙光。