蜱传回归热疏螺旋体Borrelia persica体外培养过程中的时间转录组变化

《Infection, Genetics and Evolution》：Temporal transcriptomic changes during in vitro cultivation of the human tick-borne relapsing fever spirochete Borrelia persica

　　

摘要 疏螺旋体属（Borrelia）的螺旋体拥有独特的免疫逃避机制。本研究利用批量RNA测序（bulk RNA-seq）描述了体外培养的Borrelia persica中的时间性表达变化。仅在80个应激相关基因中发现6个存在差异表达。B. persica可能在无免疫压力下表现出自发的vlp转录组变化。 翻译 疏螺旋体属（Borrelia）的螺旋体拥有独特的逃避宿主免疫系统的机制。本研究采用批量RNA测序（bulk RNA-seq）技术，描述了在体外培养条件下Borrelia persica的时间性表达动态变化。在所分析的80个应激相关基因中，仅有6个基因表现出差异表达。研究结果表明，B. persica可能在缺乏免疫压力的情况下展现出自发的可变大蛋白（vlp）转录组变化。

论文解读文章

1. 研究背景与目的

回归热是由回归热疏螺旋体（Relapsing Fever Borrelia, RF）引起的一种严重传染病，其特征是患者血液中出现大量、波动的螺旋体血症，伴随反复发作的高热、寒战等临床症状。未经治疗的患者死亡率可高达10%。疏螺旋体的致病核心在于其精妙的抗原变异与克隆选择机制：通过可变主要蛋白（Variable Major Protein, Vmp）位点的基因重组，改变外膜蛋白结构，从而逃避宿主免疫应答。然而，关于驱动这种免疫逃逸策略的因素，尤其是在旧世界回归热疏螺旋体物种中，仍存在争议。一些研究表明，在没有免疫压力的情况下，某些物种如Borrelia hermsii可自发产生新的血清型；而另一些研究则指出，抗体介导的选择是血清型转换的关键。目前，对旧世界RF物种Borrelia persica的转录组数据极为匮乏，其在体外培养环境下的基因表达动态、尤其是抗原变异相关基因的变化尚不清楚。因此，本研究旨在通过对B. persica LMU-C01菌株进行批量RNA测序，首次描绘其转录组图谱，探究在无宿主免疫压力下，体外培养过程中vlp（编码可变大蛋白的基因）亚家族的表达是否会发生自发变化，以及发热温度（39°C）是否会对此过程产生影响。

2. 研究方法

研究人员从一只病猫体内分离出B. persica LMU-C01菌株（以色列来源）。主要关键技术方法包括：① 批量RNA测序（Bulk RNA-seq）：对在37°C下培养不同时间点（T0、T1、T2）以及最后两周暴露于39°C（模拟发热期）的样本进行转录组测序。② 差异表达分析：使用DESeq2软件包鉴定不同时间点和温度条件下的差异表达基因（Differentially Expressed Genes, DEGs）。③ 基因集富集分析（Gene Set Enrichment Analysis, GSEA）：基于京都基因与基因组百科全书（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG）通路数据库，识别显著富集的生物学通路。④ 系统发育分析：利用IQ-TREE软件对Vlp蛋白氨基酸序列进行比对和建树，以确定其亚家族分类。

3. 研究结果

3.1 转录组整体特征与Vlp蛋白分类

主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）显示，第一主成分（PC1）解释了82%的方差，主要将初始时间点（T0）与后续时间点（T1, T2）分开，表明早期培养适应是转录组变化的主要驱动力。注释分析共鉴定出48个vlp基因和1个vsp（编码可变小蛋白的基因）基因。系统发育分析将Vlp蛋白分为四个亚家族：Vlp-α（11个）、Vlp-β（18个）、Vlp-γ（13个）和Vlp-δ（6个）。

3.2 Vlp亚家族表达的时间依赖性变化

这是本研究的核心发现。通过Kruskal-Wallis检验，研究人员发现vlp各亚家族的转录本丰度在培养过程中发生了显著变化：α、γ和δ亚家族的表达水平随时间显著下调，而β亚家族则显著上调。Wald多重比较检验进一步证实，与T0相比，α亚家族在T1和T2均显著下调，β亚家族在T1和T2均显著上调，γ和δ亚家族在T2显著下调。重要的是，在T2时间点，37°C与39°C培养条件之间未观察到任何vlp亚家族表达的显著差异。这些结果为B. persica在无免疫压力下可能发生自发的vlp克隆选择提供了初步证据。

3.3 全基因组差异表达与应激相关基因分析

全基因组差异表达分析表明，从T0到T1存在显著的转录组转变，主要表现为大量基因下调，少数基因上调，其中包括许多假设蛋白和噬菌体相关基因。随后的T1到T2时间点，差异表达基因数量减少。在对80个应激相关基因（包括热休克蛋白、伴侣蛋白、蛋白酶、解毒酶等）的分析中，仅在T1与T0的比较中发现7个基因（约8.75%）差异表达，而在其他比较中几乎没有发现。这表明，观察到的vlp表达变化与广泛的细胞应激反应无关。

3.4 差异表达基因交集分析与通路富集

维恩图分析显示，在所有与T0的比较中，下调的差异表达基因有70%是共同的，表明存在一个强大的、一致的抑制过程。而上调的基因则显示出更大的比较特异性。基因集富集分析（GSEA）揭示，在T0与T1的比较中，核糖体通路被显著抑制，而肽聚糖生物合成、氨基糖和核苷酸糖代谢、嘧啶代谢等通路被激活。在T2的温度比较中（39°C vs 37°C），仅发现核糖体通路的负向富集。这些结果进一步支持了B. persica中存在非免疫、非应激相关的自然vlp克隆选择现象。

4. 讨论与结论

讨论总结： 本研究发现B. persica在体外培养过程中，vlp亚家族的转录本丰度呈现出此消彼长的模式（α、γ、δ下降，β上升），这与之前关于北美RF物种B. hermsii在某些免疫调节模型中观察到自发血清型变化的报道有相似之处，但也与B. miyamotoi在纯培养中保持稳定的发现相矛盾，暗示了种间差异。与莱姆病疏螺旋体不同，B. persica的vlp表达变化似乎可以在没有宿主因子诱导的培养环境中发生。最显著的基因表达变化发生在培养初期（T0到T1），这可能反映了螺旋体对新培养体积和条件的适应过程。令人惊讶的是，模拟发热温度的39°C对基因表达的影响极小，仅涉及核糖体和质粒维持基因，这可能与B. persica在感染过程中频繁经历体温波动而形成的固有耐受机制有关。研究也指出了局限性，如样本量有限、缺乏DNA水平的克隆证据来区分转录调控与遗传重组、以及无法排除早期未测量的应激反应等。

研究结论翻译： 本研究代表了首个对B. persica进行的转录组学分析，描述了其在体外培养过程中转录本丰度的时间性变化，包括不同vlp亚家族之间对比鲜明的表达谱。自发vlp转录组变化的初步证据，结合即使在高温下也保持稳定的基因表达，推进了我们对回归热疏螺旋体发病机制的理解，表明B. persica的群体更替可能独立于免疫选择而发生，并伴随着对体外培养条件的适应。未来的研究需要结合基因组学和转录组学方法，以确定观察到的表达变化是否反映了由重组驱动的特定表达Vlp的克隆的出现和扩增，还是其他调控过程。