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作者：揣蕙宇，南京农业大学博士在读，主要研究土壤线虫与根际健康。 周刊主要展示优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍细菌肽聚糖充当消化信号，在秀丽隐杆线虫中介导宿主适应各种食物资源，原文于2024年发表在《Nature Communications》上。
 食物的可用性和使用是动物在自然界成功生存的主要适应性力量，然而人们对于激活宿主消化系统以允许消耗各种食物的具体信号知之甚少。在本研究中，研究人员在秀丽隐杆线虫的消化系统中发现一种独特的食物信号：细菌肽聚糖(PGN)，可以激活动物消化不可食用的食物。研究人员发现，肠道糖蛋白(Bacterial Colonization Factor-1, BCF-1)与PGN相互作用，通过调节神经肽样蛋白(NLP-3)的释放来抑制线粒体折叠蛋白应答(UPRmt）。有趣的是，激活UPRmt会阻碍食物消化，这取决于先天免疫p38 MAPK/PMK-1途径。相反，抑制PMK-1能够减轻bcf-1突变体的消化缺陷。此外，研究人员证明有消化缺陷的动物的自然适应能力降低。这项研究揭示了PGN-BCF-1的相互作用作为“好食物信号”，促进了食物消化和动物生长，通过提高宿主动物消费多种食物的能力，促进了宿主动物的适应性。 1. 细菌肽聚糖(PGN)的消化信号作用 为了了解低质量食物如何激活动物消化不可食用的食物，进而增加它们在自然环境中的适应性，研究人员将食物分为优质食物、不可食用食物和低质量食物三类，并建立了一个简单的研究系统以比较线虫的生长差异：(i)仅使用高质量食物大肠杆菌E. Coli喂养线虫，(ii)仅使用不可食用食物葡萄球菌SS喂养线虫，(iii)仅使用低质量食物高温灭活的大肠杆菌HK-E. coli喂养线虫，(iv)使用不可食用食物与低质量食物HK-E. coli + SS混合喂养线虫(图1a,b)。发现优质食物E. Coli容易被动物消化并支持生长；不可食用食物SS不能被消化，也不支持生长；低质量食物HK-E. coli不支持动物生长，但体型比喂养SS时大。HK-E. coli + SS中低质量食物能够激活动物的消化系统，使其能够消化不可食用食物并生长。研究结果表明，动物具有一种机制，即低质量食物会激活其消化系统，最终增强它们在环境中的适应性。 通过筛选大肠杆菌突变体，研究人员找到了无法促进动物消化SS并支持其生长的突变体(与细菌肽聚糖PGN代谢相关：HK-ΔycbB和HK-ΔygeR)，发现动物在以HK-ΔycbB+SS和HK-ΔygeR+SS为食时生长显著减缓(图1c)。此外，研究人员比较了仅喂养SS，混合喂养SS+PGN的线虫体型差异和肠腔宽度，发现添加PGN可以减缓线虫生长抑制表型(图1d)，同时显著减少腹胀(图1e)，表明PGN促进了SS在动物体内的消化。 接下来，研究人员探究了激活动物食物消化的PGN的特定位点(图1f)。结果表明，经过N-乙酰葡萄糖氨酰-L-丙氨酸酰胺酶AmiD、β-己糖氨基酸酶NagZ或蛋白酶K处理的PGN无法再激活动物取食SS，但是溶菌酶ly处理的PGN仍能激活动物取食SS(图1d)。表明有效激活食物消化的特定PGN分子是5'NAG-NAM二糖多肽，其氨基酸肽与NAM相连。
图1 PGN激活了秀丽隐杆线虫的消化系统 2. BCF-1蛋白的功能及其在食物消化中的作用 研究人员首先调查了E. Coli结合蛋白和PGN结合蛋白是否在食物消化中起作用，发现44个同时与E. Coli和PGN结合的蛋白质(图2a)，其中23个基因在肠道(动物的主要消化器官)中表达。随后对上述候选基因进行了RNAi筛选，发现bcf-1 RNAi线虫在取食HK-E. coli + SS时生长缓慢(图2b)。此外，当喂食HK-E. coli + SS时，bcf-1(ok2599)和bcf-1(ylf1)也表现出生长缓慢和肠腔膨胀现象(图2c,d)。表明PGN结合蛋白BCF-1参与促进动物消化SS。
图2 筛选参与食物消化的PGN结合蛋白 3. PGN在激活食物消化中的具体机制 研究人员首先将PGN与线虫裂解液（BCF-1::FLAG）一起孵育，发现PGN以浓度依赖方式与BCF-1结合(图3c)；其次，研究人员发现蛋白酶K处理的PGN不能与BCF-1结合(3d)；再次，研究人员发现PGN在SS喂养条件下诱导BCF-1表达(图3e, f)；最后，bcf-1突变体线虫在饲喂SS + PGN条件下表现出生长缓慢(图3g)。表明PGN通过与肠道中的BCF-1蛋白相互作用来激活食物消化。
图3 PGN通过BCF-1激活食物消化 由于先前观察到PGN突变体ΔycbB引起了线虫中UPRmt的诱导(图4a)，研究人员假设BCF-1参与了PGN对线粒体稳态的影响。发现bcf-1 RNAi或bcf-1突变体动物表现出UPRmt诱导(图4a, b)，并且bcf-1突变体食物避免行为增强(图4a, c)，表明bcf-1突变体与PGN突变体之间的表型上相似性。进一步，研究人员发现给饲喂ΔycbB的线虫补充PGN能够抑制UPRmt，而这种效应在bcf-1突变体线虫消失(图4a)，表明PGN-BCF-1相互作用在维持UPRmt中起关键作用。最后，研究人员发现atfs-1突变体能够持续激活UPRmt，且在HK-E. coli + SS食物中上生长明显较慢(图4 d)。此外，研究人员发现bcf-1 RNAi动物的消化缺陷通过atfs-1的突变(抑制激活UPRmt的)恢复(图4e)。表明PGN-BCF-1相互作用在激活食物消化中的关键作用部分通过抑制UPRmt实现。
图4 PGN通过bcf-1抑制UPRmt促进食物消化 研究人员发现，在携带bcf-1 RNAi的动物中，DVE-1(参与UPRmt的关键转录因子)转运到细胞核中(图5a)，而RNAi这些关键因子可以抑制bcf-1突变诱导的的UPRmt(图5b)。表明bcf-1突变引起的UPRmt激活依赖于UPRmt的经典途径。通过分析bcf-1突变体的RNA-seq数据，研究人员发现参与神经肽信号通路的上调基因富集，其中神经肽基因在bcf-1突变体中上调。此外，探究了bcf-1功能障碍诱导的UPRmt是否依赖于神经内分泌，发现在bcf-1(ok2599)突变动物中，UPRmt的激活通过敲除参与神经肽加工的egl-3和egl21而降低(图5c)。通过筛选在bcf-1突变体中上调的神经肽基因，确定了神经肽NLP-3的下调可以抑制bcf-1(ok2599)突变动物中激活的UPRmt(图5d)。在取食HK-E. coli + SS时，研究人员发现bcf-1(ok2599)突变动物存在消化缺陷和发育迟缓，然而，这些缺陷在靶向nlp-3、egl-3和egl-21的RNAi上部分恢复(图5e)。表明bcf-1突变体的食物回避行为也依赖于NLP-3介导的UPRMT激活。
图5 bcf-1突变激活UPRmt依赖于神经肽NLP-3 研究人员观察到当饲喂E. Coli时，bcf-1突变动物中磷酸化PMK-1(p-PMK-1)的水平升高(图6a)，同时当饲喂HK-E. coli + SS时，bcf-1突变动物中p-PMK-1水平升高(图6b)。此外，研究人员生成了bcf-1(ok2599); pmk-1(km25)双突变体，并发现bcf-1突变体的食物消化缺陷在双突变体中得到缓解(图6c)。这些结果表明，bcf-1突变通过PMK-1途径激活先天免疫，导致食物消化受到抑制和食物避免增加。表明bcf-1突变通过PMK-1途径激活先天免疫，从而抑制食物消化并增加食物回避。随后，作者观察到具有持续UPRmt激活的atfs-1(et18)突变体动物中p-PMK-1水平上调(图6d)。然而，当检查hsp-6(UPRmt标记物)的表达时，发现PMK-1对UPRmt激活没有显著影响(图6e)。在动物生长实验中，研究人员观察到UPRmt激活抑制了野生型N2和pmk-1突变体背景下的动物生长(图6f)。值得注意的是，在atfs-1(et18)突变体动物中观察到的生长缓慢表型在pmk-1突变体的部分救治下得以部分缓解(图6f)。
图6 具有UPRmt激活的bcf-1(ok2599)和atfs-1(et18)突变体的消化缺陷依赖于PMK-1 4. PGN-BCF-1相互作用对食物消化的长期影响 为了探索食细菌线虫通过增强对多样食物的消化能力来适应其自然环境的贡献，研究人员比较了不同细菌食物条件下动物的种群规模大小，以评估线虫适应性(图7a)。当饲喂SS时，动物无法生长并扩大其种群。添加E.f不会有效激活动物消化SS和导致种群增加。相反，添加E. coli或B.s，可以通过PGN有效激活食物消化，并导致种群增加(图7a, b)。表明作为动物适应策略的一部分，E. coli或B.s等特定细菌能够促进动物消化各种食物来源。随后，研究人员在复杂的食物条件下(E. coli + SS + B.s + E.f)观察到bcf-1突变动物的总数减少(图7c)。表明PGN-BCF-1互作起到了促进食细菌线虫食物摄取和动物适应的“好食物信号”的作用。此外，研究人员发现野生型ED3077和JU2513线虫也能在SS + PGN上正常生长(图7d)。表明，PGN-BCF-1信号系统在使食细菌线虫消耗多种食物来源，增强其对自然环境的适应性方面发挥了关键作用。
图7 PGN-BCF-1信号系统增强动物的适应性  本研究揭示了独特的细菌PGN被保守糖基化蛋白(BCF-1)感知，用于线虫的食物消化系统激活，这对自然界中的动物很重要，使它们能够消化更多样化的食物，提高它们的适应性。此外，通过感知PGN，本研究报道的食物消化机制可能对我们理解动物如何通过调节其消化系统和摄食行为来适应丰富的食物多样性的机制产生重大影响。 论文信息 原名：Bacterial peptidoglycan acts as a digestive signal mediating host adaptation to diverse food resources in C. elegans 译名：细菌肽聚糖作为消化信号介导秀丽隐杆线虫对多种食物资源的适应 期刊：Nature Communications DOI：10.1038/s41467-024-47530-y 发表时间：2024.4 通讯作者：祁斌 通讯作者单位：云南大学生命科学学院/中心 |
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