绦虫(Cestode)感染与社会性昆虫神经肽(neuropeptide)信号及品级特异性(caste-specific)衰老通路的转录水平转变相关联

《BMC Genomics》：Cestode infection is linked to transcriptional shifts in neuropeptide signalling and caste-specific ageing pathways in a social insect

　　

摘要：社会性昆虫是表型可塑性(phenotypic plasticity)的典型模型，蜂后(queen)与工蚁(worker)虽共享相同基因组，却在行为与寿命上存在显著差异。神经肽(neuropeptide)是行为可塑性的核心调控因子，品级特异性衰老受胰岛素/胰岛素样生长因子1信号–雷帕霉素靶蛋白–保幼激素网络(insulin/insulin-like growth factor 1 signalling–target of rapamycin–juvenile hormone network, IIS–TOR–JH)调控。可操纵宿主行为与寿命的寄生虫可能通过靶向保守神经肽或改变衰老通路来利用上述调控机制。本研究以绦虫(cestode) Anomotaenia brevis在其中间宿主——橡子蚁 Temnothorax nylanderi工蚁中诱导寿命延长及行为改变的宿主–寄生虫系统为对象开展研究。研究发现，脂肪体(fat body)中未感染蜂后与感染工蚁的基因表达重叠度更高，符合感染工蚁发生向蜂后样(queen-like)转录转变的特征；该重叠由衰老调控相关基因表征，表明寄生虫影响通常与蜂后表型相关的保守代谢与长寿通路组分。寄生虫来源肽段与宿主神经肽无序列相似性，排除了基于序列相似性的经典神经肽模拟(neuropeptide mimicry)。寄生虫可能通过间接调控宿主神经肽通路等其他机制影响宿主信号传导。蚂蚁神经肽及其受体表达呈强烈的品级与感染依赖性，感染导致脑(brain)中神经肽广泛下调，包括 tachykinin(TK)、short neuropeptide-F(sNPF)、allatostatin-A(AstA)、orcokinin(OK)、CAPA 及利尿激素(diuretic hormones, DH)；相反，品级差异在脂肪体中更显著，感染工蚁的脂肪体转录谱近似未感染蜂后。这表明感染同时影响神经与外周调控通路，削弱工蚁样信号并部分激活蜂后样代谢程序。研究结果揭示寄生虫可利用品级特异性可塑性，并鉴定出用于重编程宿主表型的分子通路。

论文解读：绦虫感染与社会性昆虫神经肽信号及品级特异性衰老通路转录转变的关联

本研究发表于《BMC Genomics》。社会性昆虫中蜂后与工蚁源自相同基因组却分化为不同寿命与行为模式，其分化受胰岛素/胰岛素样生长因子1信号–雷帕霉素靶蛋白–保幼激素(IIS–TOR–JH)网络及神经肽(neuropeptide)系统调控。寄生虫可通过操纵宿主神经内分泌通路改变宿主表型以完成生活史，但绦虫Anomotaenia brevis感染橡子蚁Temnothorax nylanderi工蚁诱导极端寿命延长及行为惰性(减少活动、模拟蜂后静息状态)的分子机制尚不明确，既往研究仅分析混合腹部转录组且缺乏组织特异性。本研究以脑(brain，神经肽信号与行为调控中枢)与脂肪体(fat body，内分泌、代谢与免疫调控外周器官)为研究对象，检验绦虫感染是否使工蚁转录谱向蜂后偏移，并探究神经肽信号与衰老/老化(ageing)通路是否被寄生虫靶向操纵。

主要关键技术方法

研究人员采集德国美因茨附近林地产Temnothorax nylanderi蚁群(约1/4含Anomotaenia brevis感染工蚁)，从7个感染蚁群分别取未感染工蚁与感染工蚁(各2只/池)脑与脂肪体，从7个额外感染蚁群取未感染蜂后(单只/池)脑与脂肪体，构建42个蚂蚁RNA-seq文库；另使用已发表绦虫Anomotaenia brevisRNA-seq数据。蚂蚁读段经Trimmomatic质控、STAR比对至T. nylanderi参考基因组(GCA_048541665.1)、featureCounts定量，DESeq2进行品级与感染状态差异表达分析(p_adj< 0.05)，Fisher精确检验评估差异表达基因(differentially expressed genes, DEG)重叠显著性。神经肽与受体通过OrthoFinder推断直系同源、SignalP/ProP预测信号肽与加工位点、TMHMM筛选G蛋白偶联受体(G-protein coupled receptor, GPCR)跨膜结构并人工BLAST验证；绦虫分泌肽与宿主神经肽序列相似性用MAFFT比对与FASTA评分(阈值>30%相似度)，DeepLocPro预测亚细胞定位。GO功能富集采用goseq包，BLASTp比对昆虫同源蛋白注释功能。

Results（结果）

全局转录组主成分分析(principal component analysis, PCA)显示：脂肪体中未感染蜂后与未感染工蚁沿PC1(解释24%方差，关联肌肉功能、离子转运与膜电位调节基因)明显分离，感染工蚁位于二者之间，支持感染诱导部分蜂后样转录转变；脑中PC1解释32%方差(关联信号转导、刺激响应与神经系统过程)，但各组分离弱，表明脑变异较异质且不受脂肪体那样清晰的品级–感染轴结构化。差异表达基因分析中，脂肪体未感染蜂后与感染工蚁共同上调基因111个(显著非随机富集，OR=0.16, p < 2.2×10^?16；未感染蜂后vs未感染工蚁OR=0.0067)，包括免疫效应分子(溶菌酶lysozyme、清道夫受体scavenger receptor)、抗氧化与应激因子(转铁蛋白transferrin/TF、S-腺苷甲硫氨酸传感器S-adenosylmethionine sensor upstream of mTORC1/SAMTOR)、海藻糖转运蛋白、α-葡萄糖苷酶及分子伴侣，涉及IIS、TOR与JH通路组分，符合蜂后样代谢维持与长寿程序激活；脑中未感染蜂后与感染工蚁共同上调仅59基因(富集核糖体亚基、翻译因子及氧化应激相关酶如α-生育酚转移酶、尿酸酶样蛋白、载脂蛋白D/Apolipoprotein D, ApoD、takeout like/TOL、端粒酶逆转录酶telomerase reverse transcriptase, TERT)，反映细胞维护而非免疫激活，两组织共有共同上调基因仅13个无显著GO富集。

神经肽系统鉴定出T. nylanderi中34个神经肽(含新注释CAPA与离子转运肽ion transport peptide, ITG)，其中25个在两组织均有表达。脑神经肽表达聚类显示最大簇(20个，含TK、sNPF、AstA、OK、CAPA、DH1/DH2)在感染工蚁中显著下调(p_adj< 0.05)；受体聚类中大部分在感染工蚁脑中也下调(TKR99D、FMRFamide receptor/FMRFaR、CCHaede/Neuromedin B receptor/CCHaR-NmBR、CAPA receptor-like X1在蜂后中高于感染工蚁)。脂肪体神经肽与受体表达聚类中，感染工蚁更接近未感染蜂后(13个神经肽如neuroparsin/NP及11个受体呈蜂后样表达)；NP与inotocin(INO)在感染工蚁脂肪体中高于蜂后(p_adj=8.59×10^?7和0.002)，NP在脑中未感染工蚁高于感染工蚁。绦虫注释出6个候选神经肽家族，无一被预测为分泌至血淋巴(haemolymph)，且绦虫肽段与蚂蚁神经肽无显著序列相似性(≤30%)，排除经典分子模拟(neuropeptide mimicry)。

Discussion（讨论部分结论翻译/总结）

Anomotaenia brevis感染使Temnothorax nylanderi工蚁宿主基因表达向蜂后偏移，脂肪体共有上调基因涉及免疫、抗氧化、IIS–TOR–JH相关长寿与代谢维持通路，表明寄生虫共opt或强化既有品级调控的衰老/老化程序以稳定宿主代谢并延长寿命；脑中仅有微弱蜂后样重叠，主要表现为应激抵抗与翻译控制相关基因上调，神经肽广泛抑制可能削弱工蚁活动性与觅食动机从而利于寄生虫传播。感染导致脑多行为相关神经肽(TK、sNPF、AstA、OK、CAPA、DH)及部分受体下调，脂肪体部分神经肽/受体呈蜂后样表达，NP呈现组织特异性反向调控(脑↓、脂肪体↑)，提示其在品级分化与寄生虫操纵界面起作用。绦虫不通过序列模拟宿主神经肽，而可能通过间接调控(如分泌蛋白影响宿主通路)重塑宿主神经内分泌状态。该发现表明寄生虫可利用社会性昆虫预存的品级特异性可塑性调控网络重编程宿主表型，为宿主操纵(host manipulation)演化及社会性生活史转换分子机制提供了可操作模型。

Conclusions（结论部分原文浓缩）

A. brevis通过招募保守衰老与代谢通路剥削蚁类宿主生理可塑性；感染工蚁中代谢、免疫及神经肽信号协调偏移，关联蜂后样长寿命与行为不活跃表型。品级相关与感染诱导可塑性间的重叠说明寄生虫可通过既有调控网络重定向社会性昆虫生理。感染相关寿命延长与行为减退未必与蜂后性状完全同源机制介导；感染以组织特异性方式重塑神经肽信号——脑多数神经肽与受体受抑，脂肪体部分呈蜂后样表达谱。寄生虫不产出与宿主神经肽序列相似的模拟分子，而是通过间接机制影响宿主神经内分泌系统，使工蚁获得近似蜂后的代谢维持状态并降低工蚁典型活跃行为，促进终宿主(啄木鸟)捕食传播。