蛋白质乳酸化和代谢调控的研究揭示了弓形虫Toxoplasma gondii生物学的全新领域

背景介绍： 弓形虫 (Toxoplasma gondii) 是一种全球分布的原生动物寄生虫，感染了超过30%的人口。弓形虫可引起弓形虫病 (toxoplasmosis)，这是广泛传播的一种人畜共患病。该寄生虫具有复杂的生活周期，包含有性和无性阶段，主要存在于终末宿主猫科动物和中间宿主（温血动物）的组织中。弓形虫在免疫力低下的个体和发育中的胎儿中能造成严重甚至致命的症状。尽管现有的治疗药物，如阿奇霉素、乙胺嘧啶和螺旋霉素等，能抑制弓形虫的某些活动，但它们通常只对快速复制的速殖子 (tachyzoites) 有效，对缓慢增殖的缓殖子 (bradyzoites) 基本无效，且常伴有宿主细胞毒性。因此，进一步了解弓形虫的生物特性有助于发现新的药物靶点，以提高治疗效果。

研究来源： 本研究论文由沈阳农业大学的研究团队撰写，研究所包括东北动物传染病教育部重点实验室和中国医学科学院人畜共患病寄生虫病致病机制研究单元。论文于2023年发表在《Genomics, Proteomics & Bioinformatics》。

研究内容和方法：

1. 研究方法：

   • 为了解弓形虫中的蛋白质乳酸化 (lactylation) 情况，研究团队首先通过液相色谱-串联质谱 (LC-MS/MS) 分析快速增殖阶段的速殖子 (tachyzoite) 全细胞裂解物，验证其乳酸化蛋白质。
   • 通过免疫荧光分析 (IFA) 和Western blotting 验证了弓形虫RH株和ME49株中乳酸化蛋白的分布。
   • 三次实验中共鉴定出955个蛋白质上的1964个乳酸化位点，验证了质谱数据的准确性和可重复性。
   • 对乳酸化蛋白进行了基因本体论 (GO) 注释、凯格 (KEGG) 通路富集分析以及蛋白质亚细胞定位分析。

2. 主要实验结果：

   • 乳酸化蛋白广泛分布于弓形虫多个亚细胞区室中，主要集中在细胞核、细胞质和线粒体中，涉及多种生物过程，如细胞代谢、蛋白质结合及信号转导等。
   • KEGG通路富集分析显示乳酸化蛋白主要富集在中心代谢通路中，如剪接体、氨酰-tRNA 生物合成、糖酵解、三羧酸循环 (TCA cycle) 和氧化磷酸化等。
   • 对乳酸化蛋白质序列的动机分析表明，甲硫氨酸 (M)、丙氨酸 (A) 和赖氨酸 (K) 常出现在乳酸化位点的上游，而下游则富含丙氨酸 (A)、甘氨酸 (G) 和赖氨酸 (K)。

3. 深入研究与分析：

   • 为进一步理解乳酸化的生物学功能，研究团队探讨了乳酸化蛋白在参与基因转录和表达调控过程中的作用。特别是乳酸化蛋白与潮蛋白酶、Actin-Myosin 复合体，以及一些关键酶（如磷酸果糖激酶 II (PFKII) 和乳酸脱氢酶 (LDH)）的关系。
   • 研究关键词如Histone乳酸化特定抗体的免疫共沉淀测序 (ChIP-Seq) 结果表明，Histone H4k12la 和 H3k14la 在Toxoplasma基因调控中的作用。
   • 在表观遗传调控研究方面，研究展示了Histone H2a.z、H2b.z、H3和H4中的17个乳酸化位点。

4. 研究意义与价值:

   • 该研究首次绘制了弓形虫的乳酸化蛋白质组图谱（lactylome），揭示了乳酸化在该寄生虫生物学及能量代谢调控中的核心作用。
   • 乳酸化蛋白广泛参与多个关键生物过程，包括能量代谢、信号转导及RNA处理等，是发现新的抗寄生虫药物靶点的重要依据。
   • 研究指出，乳酸化可能对弓形虫的生长发育、代谢调控等多个方面有深远影响，尤其在特定生理条件下，能显著影响该寄生虫的能量代谢。

总结： 本研究通过综合分析发现，乳酸化广泛存在于弓形虫蛋白质中，参与多个重要代谢过程及基因转录调控。研究结果为弓形虫病的治疗提供了新视角，并为后续研究奠定了坚实的基础。未来，通过进一步理解乳酸化调控机制，有望开发出高效的抗弓形虫病新型药物。