硫代谢基因敲除诱导黑腹果蝇慢性炎症和免疫失调

《Antioxidants》：Knockouts of Sulfur Metabolism Genes Induce Chronic Inflammation and Immune Dysregulation in Drosophila melanogaster

　　

硫化氢（H₂S）是一种重要的气体递质，对于维持氧化还原稳态和调节炎症反应至关重要。在此，研究人员检查了研究人员实验室中生成的一组黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）敲除（KO）品系，这些品系缺乏转硫途径（cbs, cse）和硫化物代谢（tst1）中的关键基因，以阐明该适应性系统在免疫中的作用。这些途径的基因缺失导致严重的H₂S缺乏和高同型半胱氨酸血症，进而引起慢性氧化应激。这导致主要免疫途径——包括IMD、Toll和JAK-STAT——即使在无感染情况下也持续激活，这是慢性炎症的标志。事实上，转录组分析和qRT-PCR研究显示，在对照条件下，双敲除（cbs; cse）和三敲除（cbs; cse; tst1）果蝇中这些途径显著上调。在枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）脓毒损伤后，与对照和TST1^-/-单敲除品系相比，双敲除和三敲除果蝇表现出抗微生物肽（AMPs）和模式识别受体表达增加。值得注意的是，双敲除和三敲除品系表现出更持久的免疫激活。三敲除果蝇在脓毒损伤后存活率最差。这些结果表明，H₂S缺乏通过持续激活免疫途径导致慢性炎症，突出了硫代谢作为果蝇体内稳态和先天免疫关键调节因子的作用。

硫化氢（H₂S）作为一种重要的气体递质，具有抗炎和细胞保护作用，但其在果蝇先天免疫中的调控机制尚不清楚。现有研究表明，硫代谢途径（转硫途径和硫化物代谢）的基因缺失会导致H₂S缺乏和高同型半胱氨酸血症，诱发氧化应激，然而这些改变如何系统性影响免疫稳态、应激反应和代谢重编程，尤其是基因组合缺失的累加效应，仍缺乏全面解析。为此，研究人员利用黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）单、双和三基因敲除（KO）品系（cbs, cse, tst1），系统探究了硫代谢缺陷对先天免疫的调控作用。该研究发表于《Antioxidants》。

研究人员主要采用以下关键技术方法：利用CRISPR/Cas9技术构建了基于控制品系58492（来自Bloomington果蝇库存中心，BDSC 58492）的基因敲除果蝇品系；通过无菌损伤和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）脓毒损伤模型进行生存实验和细菌负荷动力学测定（CFU计数）；对5日龄雌蝇进行转录组测序（RNA-seq）及qRT-PCR动态验证；运用差异表达基因分析和基因集富集分析（GSEA）解读转录组数据。

研究结果如下：

**3.1 转硫途径基因敲除改变脓毒损伤后的存活和细菌清除**：通过生存实验和细菌负荷动力学测定，发现三敲除果蝇存活率最差，双敲除果蝇存活率变异最大，而单敲除品系（TST1^-/-）与对照相当。细菌负荷分析显示，对照品系呈经典增殖-清除曲线，而双和三敲除果蝇在较低细菌负荷（10⁴–10⁵ CFU）下即死亡，提示死亡源于免疫介导的病理而非失控感染。

**3.2 无菌和脓毒损伤后免疫基因表达的动力学**：通过qRT-PCR检测关键转录因子和抗微生物肽（AMPs）的表达，发现无菌损伤后，双和三敲除果蝇中Relish和Dif诱导最高，AMPs（如Diptericin A、Drosomycin）表达也显著高于对照；脓毒损伤后，双和三敲除果蝇的免疫基因诱导最强，而TST1^-/-品系诱导最弱。

**3.3 转录组文库分析：H₂S缺乏促进促炎转录特征**：通过转录组比较（对照、TST1^-/-、双和三敲除），发现双和三敲除果蝇在基础条件下即上调模式识别受体（PGRP-LC、PGRP-LA）、负调控因子（PGRP-LF、PGRP-LB）及JNK通路组分（Tak1、kayak、Mmp1），但多数AMPs未上调，提示代偿机制防止自发炎症。脓毒损伤后，双和三敲除果蝇的IMD和Toll通路组分（Relish、Dif、Hayan、Sp7）及AMPs（Diptericins、Cecropins、Edin）强烈诱导，且负调控因子（PGRP-SC2、Diedel、Necrotic）也上调，但代偿不足。

**3.4 H₂S缺乏果蝇中Bomanins基础水平升高及脓毒损伤后AMPs的强烈诱导**：通过转录组和qRT-PCR，发现双和三敲除果蝇在基础条件下防御素（Defensin）和多种Bomanins（BomS1、BomS2、BomS6、BomT2、BomBc2）表达升高，可能作为“分子盾”抵抗氧化损伤。脓毒损伤后，双和三敲除果蝇的AMPs（如Attacin D、Edin、Drosocin）诱导最强，且Attacin D仅在双和三敲除中诱导，可能贡献于肾小管损伤。

**3.5 敲除品系中丝氨酸蛋白酶抑制剂（Serpins）的补偿性激活及凝集素和吞噬受体模式的重编程**：通过转录组分析，双和三敲除果蝇在基础条件下上调Serpins（Spn47C、Spn77Ba、Spn28D），可能保护上皮免受炎症损伤。同时，模式识别受体（如dSR-CI、Dscam）组成性上调，而吞噬受体Eater和NimC1呈现相反表达模式，表明H₂S缺乏模拟了“慢性感染”状态。

**3.6 敲除品系中消化酶和代谢相关基因转录的变化**：通过转录组分析，双和三敲除果蝇在基础条件下上调胰蛋白酶和Jonah家族蛋白酶，提示肠道稳态改变。脓毒损伤后，对照品系消化酶表达下降，而双敲除果蝇未下降，且双和三敲除果蝇的麦芽糖酶和tobi基因表达升高，ilp2表达下降，反映能量代谢重编程。

**3.7 慢性氧化应激激活双和三敲除品系中的解毒系统和应激反应**：通过转录组和qRT-PCR，双和三敲除果蝇在基础条件下上调细胞色素P450、谷胱甘肽S-转移酶（GSTs）、UDP-糖基转移酶（UGTs）及热休克蛋白（hsp67Bc、hsp68）。脓毒损伤后，hsp70在双和三敲除中强烈诱导，而Turandot家族基因（TotA、TotC、TotM）在三敲除中诱导不足，提示JAK/STAT-Turandot轴受损导致蛋白质稳态失衡。

讨论部分总结：该研究证实硫代谢基因缺失导致H₂S缺乏，引发慢性氧化应激和免疫通路持续激活，造成慢性炎症状态。双和三敲除果蝇在感染时出现免疫过度激活，但伴随代偿性防御机制（Bomanins、Serpins、Turandots）上调。三敲除果蝇的TST1缺失可能加剧氰化物中毒，导致代谢应激和存活率最低。研究结论翻译如下：H₂S作为关键代谢检查点，抑制免疫、应激和代谢途径的基础激活。其缺乏导致这些途径在非感染条件下持续激活，引起慢性炎症。这种准备状态导致感染时过度活跃的免疫反应，同时触发补偿性防御机制（Bomanins、Serpins、Turandots）以限制附带损伤。这些发现建立了硫代谢、免疫稳态、蛋白质稳态和代谢恢复力之间的新联系。该工作表明果蝇硫代谢是一个模块化网络，其破坏导致不同的免疫病理状态。CBS/CSE产生的H₂S是关键抗炎信号，而TST1在代谢解毒中起关键作用，其重要性在转硫途径紊乱时凸显。这些结果为理解人类高同型半胱氨酸血症或合并代谢紊乱中的免疫功能障碍提供了概念框架。