脯氨酸分解代谢是促进白色念珠菌致病性的关键因素

由来自斯德哥尔摩大学温纳-格伦研究所、科学实验室分子生物科学系的研究人员领导的一个国际科学家小组发表了一篇文章（PLoS病原体），首次成功应用双光子活体显微镜(IVM)对活体宿主肾脏真菌感染的动态进行成像。研究表明，机会性人类真菌病原体白色念珠菌需要代谢脯氨酸的能力，脯氨酸是一种从宿主获得的氨基酸，以引起致命的感染。

白色念珠菌最近被世界卫生组织(世卫组织)列为四种“关键优先”真菌病原体之一。白色念珠菌的一个决定性特征是，它是一种共生生物，与人类微生物群的其他组成部分共生，并且通常耐受性良好。然而，当人类经历对免疫系统产生负面影响的健康挑战时，白色念珠菌可引起血液感染，除非积极治疗，否则是致命的。在感染过程中，已知白色念珠菌细胞的形态从卵形酵母样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。虽然脯氨酸一直被认为可以促进菌丝生长，但我们最近发现白色念珠菌可以使用脯氨酸作为主要的能量来源。脯氨酸的分解发生在细胞的能量源——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物种的重要能量来源，包括耐多药金黄色念珠菌，这是一种新出现的健康威胁，也是世卫组织重点关注的真菌病原体。这项研究的主要作者菲茨·杰拉尔德·s·西劳博士解释说:“真菌细胞拥有线粒体，线粒体配备了完整的能量保存呼吸复合物，脯氨酸的分解代谢产生的化学能(ATP)几乎与富含能量的糖葡萄糖的分解代谢一样多。”

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、在全人血液中存活和两种模型宿主系统。结果一致表明，不能代谢脯氨酸的菌株表现出显著降低的毒力特性和明显减弱的形态转变能力。这些观察结果提供了新的见解，暗示脯氨酸代谢是致病真菌生长的关键决定因素。脯氨酸是人体20种天然存在的氨基酸之一，富含细胞外基质蛋白，如胶原蛋白，因此当结缔组织在感染部位被破坏时，或者当宿主因癌症生长或肌肉减少症发作而变得脆弱时，脯氨酸很容易获得。引人注目的是，对脯氨酸利用(PUT)途径和控制脯氨酸使用的控制机制的遗传解剖导致发现脯氨酸对无法分解它的细胞是有毒的。后一项发现是出乎意料的，需要进一步的工作来解决其毒性的奥秘和潜在的机制。

肾脏是受白色念珠菌血流感染的主要器官，了解其原因是必要的。为了获得答案，研究小组最初应用了一种小鼠感染模型，这种模型对于这类工作仍然是无价的，他们发现缺乏利用脯氨酸能力的白色念珠菌细胞侵入性和毒性较小。值得注意的是，感染了不能分解脯氨酸的真菌细胞的小鼠，例如，缺乏Put2酶(1-吡罗啉-5-羧酸(P5C)脱氢酶)的细胞，表现出较轻的疾病或根本没有症状。接下来，使用最先进的双光子活体显微镜(IVM)实时可视化白色念珠菌细胞在活体宿主肾脏皮质深处的入侵情况。与天然野生型细胞相比，缺乏put2的细胞(put2-/-)在肾脏中不能形成菌丝。应该认识到，由于许多因素，例如真菌细胞的小尺寸和稀缺性，以及与活体宿主的重要和维持生命的过程相关的连续运动，对持续感染的初始阶段进行成像是非常具有挑战性的。

“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确实改变了游戏规则，因为它允许在完整的生理环境下对器官的动态过程进行成像，并且在传统荧光或共聚焦显微镜无法达到的深度，”斯德哥尔摩大学(IVMSU)活体显微镜设施负责人，该论文的共同通讯作者Christiane Peuckert博士说。

这项研究的资深作者Per O. Ljungdahl教授解释说:“肾脏是脯氨酸代谢的主要中心，这使得我们的数据与已知的与肾脏功能相关的过程一致，使这项工作更加有趣。我们未来的研究将集中于创建一组报告菌株来直接评估和可视化肾脏中脯氨酸的利用。我们还将把IVM的应用扩展到其他念珠菌物种，以确定适应哺乳动物宿主环境的定制脯氨酸代谢网络是否是重要的机会性人类真菌病原体的共同和关键特征，这些病原体对人类健康的影响越来越大。”