Nature Metabolism：人类疟疾宿主适应性免疫的代谢组调节

2021年6月，纽约大学阿布扎比分校等单位的相关研究人员在《Nature Metabolism》上发表了题为“Metabolome modulation of the host adaptive immunity in human malaria”的研究论文，揭示了儿童疟疾感染导致的代谢紊乱，并确定了恶性疟原虫感染背景下内源性类固醇产生的免疫抑制作用。

研究人员从布基纳法索地区招募100名Gouin族群和53名Fulani族群儿童，在感染季节性疟疾之前和之后的匹配样本进行代谢组学研究。对于Gouin儿童，使用液相色谱和串联质谱 (LC-MS/MS) 生成了 200个血清代谢组学图谱，检测到的大部分代谢物是脂质、氨基酸以及异生素（xenobiotics）。完整数据集的主成分分析 (PCA) 揭示了两组代谢组学数据中的强相关结构。基于相似性的全局代谢组学相关矩阵聚类清楚地表明，除了少数例外，儿童是基于其感染状态进行聚类的。代谢物分析显示出195种（30%）差异丰富的代谢物，脂质（n=81）和氨基酸（n=34）是差异丰富的代谢物中最具代表性的分子类别。这些结果清楚地表明恶性疟原虫感染对血清代谢组的影响，提示感染后宿主代谢资源分配发生重大扰动。在感染期间的195种差异丰富的代谢物中，53种代谢物（27%）也与寄生虫病显著相关。92个寄生虫病相关代谢物的双向层次聚类表明，在PCA中检测到的两个聚类之一富含参与能量代谢和大分子生物合成的代谢物，缺乏类固醇、血红素降解、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸代谢副产物。这些独特的代谢特征表明寄生虫的发育和增殖与特定的代谢物种类和过程之间有着紧密的联系。

研究设计和恶性疟原虫疟疾对代谢组的全球影响

差异丰度代谢物的KEGG集富分析揭示了41个显着富集的代谢途径。与感染相关的最显着的富集途径是血红蛋白（卟啉）代谢、脂肪酸代谢、色氨酸代谢和鞘脂代谢途径。对与寄生虫血症显着相关的差异丰富的代谢物（n = 53）的富集分析显示，烟酰胺在感染期间显示出最高水平的消耗并且与寄生虫血症呈负相关。第二个最显著富集的代谢途径是半乳糖代谢，感染期间甘油血清水平显著升高。甘油血清水平的增加可能是由于宿主甘油脂代谢的扰动，但鉴于观察到的甘油血清水平与寄生虫血症和恶性疟原虫产生甘油的能力之间存在正相关，甘油也可能是寄生虫代谢的副产品。色氨酸代谢，尤其是犬尿氨酸途径，是第三个最显著富集的代谢途径，色氨酸分解代谢物犬尿氨酸、犬尿氨酸和吡啶甲酸的血清水平在感染期间显着升高，并且与寄生虫血症呈正相关。

脂肪酸代谢方面，长链饱和脂肪酸通路的脂肪酸代谢和线粒体β-氧化具有最高的富集倍数，棕榈酰肉碱（C16）和硬脂酰肉碱（C18）分别与这两条通路有关。研究人员还报告了13种检测到的细胞外长链酰基肉碱中的12种在感染期间显著耗竭，这12种消耗的代谢物也与寄生虫血症呈负相关。短链酰基肉碱在感染期间显著富集。这些结果表明在感染期间短脂肪酸和长脂肪酸分别进出血清的定向流动。综合起来，这些结果揭示了响应恶性疟原虫感染的脂质水平的重大变化，这些变化与宿主代谢过程的改变以及寄生虫在体内生长和增殖对宿主代谢物的依赖是一致的。

感染和寄生虫病相关代谢物的代谢物集富集分析

接下来，研究人员检查了在差异丰度和寄生虫病相关代谢产物中最具代表性的代谢产物类——内源性类固醇。这些代谢物包括八种细胞外孕烯醇酮类固醇、两种雄激素类固醇和两种皮质类固醇。研究人员测试了数据集中检测到的15种内源性类固醇与感染和未感染数据集中总血细胞计数的淋巴细胞分数之间的关联，并观察到感染期间15种类固醇中的13种呈现显著的负相关。与此形成鲜明对比的是，这些类固醇都与感染前的淋巴细胞无关。这些结果表明这些类固醇对淋巴细胞的抑制作用。

脂质代谢的主要变化及其与血细胞计数的关联

为了评估内源性类固醇对宿主全局转录的影响和潜在的免疫抑制作用，研究人员从36个随机选择的Gouin儿童（感染前和感染期间）中生成了72个 RNA 测序 (RNA-seq) 谱，并将12371表达的转录本与感染相关的孕烯醇酮和雄激素类固醇（8个孕烯醇酮和3个雄激素类固醇）进行交叉相关分析。该分析揭示了感染期间3696个具有统计学意义的类固醇 - 转录关联，分别对应于2125和1571个正相关和负相关（1649 个独特基因）。形成鲜明对比的是，在感染前状态，仅检测到110个具有统计学意义的类固醇-转录关联（85个独特基因）。相关值的分布显示了感染期间类固醇-转录关联的强度，表明在感染期间发生了协调的类固醇-转录关系。

综合类固醇-转录分析

接下来，研究人员使用IPA分析研究了1649个表达水平与感染相关类固醇显著相关的基因的功能特征。引人注目的是，该分析显示感染期间最富集的信号通路与 T 细胞功能的抑制有关，在未感染组中未观察到这种富集。使用ClueGo 的通路分析显示了类似的结果，并突出了B和T细胞分化、CD4+、α-β T 细胞分化、T细胞活化和B细胞分化，这些是感染期间受影响最严重的免疫过程。基因表达水平变化的总体趋势表明，类固醇的升高会影响多种T_H细胞类型。感染前和感染期间三种主要辅助性T细胞调节因子（GATA3、TBX21和BCL6）的表达水平及其与硫酸孕烯醇酮的关联突出了感染期间类固醇水平升高对T细胞功能的潜在抑制作用。

与感染相关类固醇相关的1649个基因的代谢途径分析揭示了胆固醇生物合成途径的强烈激活，胆固醇是所有检测到的类固醇的共同前体，包括孕烯醇酮。感染过程中几个关键类固醇生物合成相关基因的上调与这些途径的激活是一致的。

类固醇相关转录物的信号传导和代谢途径分析

硫酸孕烯醇酮是与互相关分析中涉及适应性免疫反应的基因的转录丰度最显著相关的类固醇。研究人员接着使用中介分析通过调节关键免疫调节基因来研究这种代谢物对淋巴细胞计数的潜在因果影响。结果发现，硫酸孕烯醇酮导致淋巴细胞活化和增殖的关键调节因子的基因表达发生变化，进而影响淋巴细胞计数。仅在感染期间，11个基因对硫酸孕烯醇酮和淋巴细胞计数之间的关联具有统计学意义的中介作用。此外，调节-中介分析表明，对于淋巴细胞活化和增殖的11种调节因子中的10种，硫酸孕烯醇酮对由基因表达介导的淋巴细胞的影响受到感染的调节。

硫酸孕烯醇酮对淋巴细胞基因表达影响的因果中介和调节分析

体外抑制T细胞增殖

最后，研究人员探究了与感染相关的类固醇在布基纳法索的Fulani族群中的作用。由于免疫系统更强大的激活，该族群对恶性疟原虫疟疾的易感性较低。对 Gouin和 Fulani儿童中六种细胞因子水平的总体评估显示两组之间存在统计学上的显著差异两组之间观察到的差异细胞因子反应似乎促进了对恶性疟原虫感染的易感性/抗性机制。接下来，研究人员从感染前后采样的53名Fulani儿童中生成并分析了106个匹配的全局代谢谱。比较Fulani和Gouin儿童在感染前和感染期间的类固醇水平，发现感染前Fulani儿童的雄激素类固醇水平显著低于Gouin儿童，而孕烯醇酮类固醇水平显著高于Gouin儿童。感染后，Gouin儿童表现出最明显的类固醇水平升高，而受感染的富拉尼儿童的类固醇水平显著降低。两个种族对感染表现出相反的类固醇反应，Gouin儿童的雄激素和孕烯醇酮类固醇水平升高，而Fulani儿童的雄激素类固醇水平无明显变化，孕烯醇酮类固醇水平明显下降。Fulani组在感染前和感染期间，激素水平与淋巴细胞比例均无相关性，与Gouin组仅在感染期间观察到的具有统计学意义的类固醇-淋巴细胞比例关联相反。这些结果支持以下假设：感染后类固醇对适应性免疫反应的免疫抑制不会发生在Fulani儿童中，因此可能通过更强的免疫反应激活导致他们对恶性疟原虫感染的易感性较低。

Fulani 和 Gouin 儿童感染相关类固醇的比较分析

综上所述，该研究揭示了宿主代谢组响应于自然恶性疟原虫感染的重大变化，并提供了与人类疟疾寄生虫血症相关的代谢物图谱。该研究结果增进了我们对恶性疟原虫疟疾期间体内分子机制的了解，并证明了对感染的代谢反应的种族间差异如何有助于了解疟疾的易感性和抗性机制。