活体宿主组织深处的真菌感染的可视化揭示了脯氨酸代谢促进毒力

由斯德哥尔摩大学温纳格伦研究所 SciLifeLab 分子生物科学系研究人员领导的国际科学家团队在 PLoS Pathogens 上发表了首次成功应用 2 光子活体显微镜 (IVM) 对真菌感染动态进行成像的研究在活宿主的肾脏中。该研究表明，机会性人类真菌病原体白色念珠菌需要具有代谢脯氨酸(一种从宿主获得的氨基酸)的能力，才能产生致命的感染。

白色念珠菌最近被世界卫生组织(WHO)列为四种“关键优先”真菌病原体之一。白色念珠菌的一个显着特征是，它是一种共生生物，与人类微生物区系的其他成分共生，并且通常具有良好的耐受性。然而，当人类遇到对免疫系统产生负面影响的健康挑战时，白色念珠菌可能会导致致命的血液感染，除非积极治疗。在感染过程中，已知白色念珠菌细胞的形态从卵形酵母样细胞转变为细长的丝状菌丝细胞，这一过程与这种真菌作为病原体生长的能力有关。尽管长期以来人们都知道脯氨酸会引发菌丝生长，但我们最近发现白色念珠菌可以使用脯氨酸作为主要能量来源。脯氨酸分解发生在细胞的动力工厂线粒体中。

调查小组现在报告说，脯氨酸是其他致病性念珠菌属物种的重要能量来源，包括多重耐药念珠菌，一种新出现的健康威胁，也是世界卫生组织的重点真菌病原体。这项研究的主要作者 Fitz Gerald S. Silao 博士解释说：“在具有线粒体的真菌细胞中，线粒体配备了完整的能量守恒呼吸复合物，脯氨酸的分解代谢产生的化学能 (ATP) 几乎与脯氨酸的分解代谢产生的化学能 (ATP) 一样多。富含能量的糖葡萄糖。”

合作小组提供了多种感染模型，包括人造皮肤、与免疫细胞共培养、人类全血中的存活和两种模型宿主系统。结果一致表明，无法代谢脯氨酸的菌株表现出毒力特性显着降低，并且经历形态转变的能力明显减弱。这些观察结果提供了新的见解，表明脯氨酸代谢是病原真菌生长的关键决定因素。脯氨酸是体内 20 种天然存在的氨基酸之一，富含细胞外基质蛋白，例如胶原蛋白，因此当感染部位的结缔组织分解时，或者当宿主因病毒而变得脆弱时，脯氨酸很容易获得。癌症生长或肌肉减少症发作的结果。引人注目的是，对脯氨酸UT化(PUT)途径和控制脯氨酸使用的控制机制的基因剖析发现，脯氨酸对无法分解代谢它的细胞具有毒性。后一个发现是出乎意料的，需要进一步的工作来解开其毒性之谜和潜在机制。

肾脏是白色念珠菌血液感染期间受影响的主要器官，必须了解其原因。为了获得答案，研究小组最初应用了小鼠感染模型，该模型对于此类工作仍然非常有价值，并发现缺乏利用脯氨酸能力的白色念珠菌细胞的侵袭性和毒性较小。值得注意的是，感染了不能分解代谢脯氨酸的真菌细胞(例如缺乏Put2酶(1-吡咯啉-5-羧酸酯(P5C)脱氢酶)的细胞)的小鼠表现出较轻的疾病或根本没有症状。接下来，使用最先进的 2 光子活体显微镜 (IVM) 实时观察活体宿主肾脏皮质深处的白色念珠菌细胞的入侵情况。与天然野生型细胞相比，Put2 缺陷细胞 (put2-/-) 未能在肾脏中形成菌丝。应该认识到，由于许多因素，例如真菌细胞的体积小和稀缺，以及与活宿主的重要和生命维持过程相关的连续运动，对持续感染的初始阶段进行成像非常具有挑战性。

“利用工程报告菌株和差异染色技术，我们能够迅速发现组织深处的真菌生长。IVM 确实是一个游戏规则改变者，因为它可以在完整的生理环境中对器官的动态过程进行成像，并且可以在传统荧光或共聚焦显微镜无法实现的深度进行成像。”斯德哥尔摩大学活体显微镜设施负责人 Christiane Peuckert 博士说道(IVMSU)和论文的共同通讯作者。

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