牛分枝杆菌frd操纵子相变通过劫持琥珀酸信号驱动免疫代谢重编程与致病性增强

本研究揭示了牛分枝杆菌(M. bovis)通过frd操纵子同源多聚束(HT)插入突变劫持宿主琥珀酸/HIF-1α/IL-1β信号轴的免疫逃逸新机制。研究人员发现野生型菌株分泌FRD催化产生的琥珀酸可稳定HIF-1α，驱动糖酵解重编程和IL-1β产生，进而激活IL-1R依赖的Th1免疫应答；而frd HT突变体通过抑制该代谢通路，将免疫应答转向致病性Th17反应，促进中性粒细胞浸润和组织坏死。该发现为结核病治疗提供了新的宿主代谢干预靶点。

　　

结核病(TB)作为全球重大公共卫生威胁，其病原体结核分枝杆菌复合群(MTBC)在长期宿主适应过程中演化出复杂的免疫逃逸策略。其中牛分枝杆菌(M. bovis)作为重要人畜共患病原，每年导致约14万人类结核病例。尽管MTBC成员间基因组高度保守(核苷酸相似性>99%)，但临床分离株表现出显著的遗传多样性，特别是基因组同源多聚束(HT)的相变现象日益被认为是关键适应性机制。然而，这些遗传变异如何调控宿主免疫代谢网络进而影响致病性，仍是未解之谜。

中国农业大学的科研团队在《Nature Communications》发表的研究，首次揭示了牛分枝杆菌通过frd操纵子（编码延胡索酸还原酶）的7G HT插入突变，动态调控琥珀酸分泌从而重编程宿主免疫应答的精确分子机制。研究采用临床分离株全基因组测序、分子对接、代谢组学与免疫细胞流式分析等多学科技术，结合基因敲除和回补的等基因菌株构建，通过小鼠感染模型系统解析了细菌相变与宿主免疫代谢的互作网络。

关键技术方法包括：1) 对74株牛分枝杆菌和2819株结核分枝杆菌(M. tb)临床分离株进行frd操纵子HT多态性分析；2) 构建M. bovis C68004的frd敲除株(△frd)及7G/8G HT回补株；3) 采用LC-MS/MS检测巨噬细胞感染后的代谢物变化；4) 建立C57BL/6小鼠高剂量(5000 CFU)感染模型评估肺组织病理和细菌负荷；5) 通过IL-1R阻断实验验证Th1/Th17免疫极化机制。

高频率插入突变存在于临床分离株的frd操纵子

通过对74株牛分枝杆菌临床分离株的全基因组分析，发现56.8%菌株在frdB末端的7G HT发生单碱基G插入(8G HT)，仅6.8%保留野生型。结构预测显示8G HT突变导致FrdB-FrdC翻译融合，阻塞FRD的甲基萘醌-9(MQ9)结合口袋。

frd突变增强细菌致病性

临床8G HT分离株感染小鼠后表现出：1) 肺细菌负荷增加1.5个对数级；2) 早期(12天)肺组织中性粒细胞浸润增加3倍；3) 后期(22天)广泛坏死性炎症。等基因菌株实验证实△frd和△frd::frd8G感染均重现该表型，且伴随引流淋巴结中CD4⁺CD69⁺IL-17A⁺ T细胞比例升高(Th17)，而IFN-γ⁺ T细胞(Th1)减少。

琥珀酸/HIF-1α/IL-1β轴调控免疫代谢重编程

野生型M. bovis通过FRD催化分泌琥珀酸，稳定巨噬细胞HIF-1α蛋白水平，促进：1) 糖酵解关键酶GAPDH表达上调2.5倍；2) IL-1β分泌增加3倍。而△frd和△frd::frd8G菌株因琥珀酸分泌减少，导致HIF-1α介导的代谢重编程缺陷。使用HIF-1α抑制剂YC-1处理可消除不同菌株感染的代谢差异。

IL-1R信号决定免疫极化方向

抗IL-1R抗体处理可完全消除野生型与突变株感染的Th1/Th17差异，并重现frd突变体的病理特征：1) 肺组织坏死面积扩大40%；2) 细菌负荷增加10倍。证实IL-1β-IL-1R信号是决定Th1/Th17平衡的关键枢纽。

该研究创新性揭示：1) frd操纵子相变是MTBC病原体跨物种保守的免疫逃逸策略；2) 细菌源性琥珀酸作为代谢信号分子直接调控宿主HIF-1α稳定性；3) 高剂量感染模型更准确模拟人类活动性结核的免疫特征。这些发现为开发针对琥珀酸代谢通路的宿主导向疗法提供了理论依据，也为临床分离株毒力预测提供了新的分子标记。研究同时提示，靶向抑制Th17反应或增强IL-1β信号可能成为控制坏死性炎症的新策略。