Nature | 昆虫呼吸的新机制——免疫细胞通过调控PPO2蛋白相变而运输氧气
Nature | 昆虫呼吸的新机制——免疫细胞通过调控PPO2蛋白相变而运输氧气
氧气是生命维持的必要条件，为维持氧气的高效运输，动物界演化出了许多氧结合蛋白和高效的气体交换机制。在大多数脊椎动物中，氧气主要结合在血红蛋白上，利用红细胞进行氧气运输，并通过波尔效应和氧气分压差来保持或释放氧气。某些无脊椎动物，如软体动物和少数节肢动物，具有一种在血淋巴中自由循环的氧气载体蛋白（即血蓝蛋白），可以通过对流方式传递氧气，无需特定的免疫细胞的协助。
在昆虫中，长期以来一直认为密集协调的气管系统足以维持昆虫的气体交换和氧气需求，专门用于呼吸或呼吸蛋白的免疫细胞并不是必需的。在模式动物果蝇中，被称为血细胞的免疫细胞类似于脊椎动物的髓系血细胞，是先天免疫和应激反应的“哨兵”。果蝇幼虫中有3种不同的血细胞类群：浆细胞、晶体细胞和鳞片细胞。浆细胞占血细胞的绝大多数，最类似于脊椎动物的巨噬细胞；晶体细胞以其结晶包含物命名，占血细胞的5%，在黑化和伤口愈合中起着关键作用；鳞片细胞仅在免疫激活期间出现。
最近的研究表明，包括氧气和二氧化碳在内的呼吸气体能够在一定程度上诱导果蝇特定免疫细胞的分化。然而，这是否与昆虫免疫细胞控制呼吸有关，一直是一个亟待回答的问题。
近日，韩国汉阳大学Jiwon Shim实验室在Nature杂志发表了题为Drosophila immune cells transport oxygen through PPO2 protein phase transition的研究文章，发现果蝇的晶体细胞能够通过氧化前酚氧化酶2（PPO2）蛋白来捕获和运输氧气，这些细胞在幼虫体壁的气管和循环系统之间移动，利用铜和中性pH值将氧气捕获在PPO2的晶体结构中；而当细胞内pH值降低时，PPO2晶体可以溶解，并在气管附着过程中重新组装成晶体，从而帮助果蝇幼虫在不同氧气环境下维持体内氧气平衡。本研究揭示了昆虫的免疫细胞与气管协作，通过控制PPO2蛋白的相变，实现了机体氧气的稳态储备和运输。
lozenger15 (lzr15)果蝇突变体缺乏晶体细胞，与野生型 (WT) 果蝇相比，它们健康度差，存活率低，而通过抑制Notch信号抑制晶体细胞分化同样会造成类似表型。另一方面，常氧条件下，lzr15突变体或Notch信号受抑制的幼虫气管中出现较多的粗末端分支 (TTB) ，这是由于晶体细胞缺失导致了系统性缺氧。果蝇幼虫在其发育阶段的大部分时间里都在挖洞寻找食物，这可能会使它们面临缺氧压力。作者发现挖洞行为和进食期间的氧气供应有限导致了lzr15突变体的表型，晶体细胞在挖洞取食所导致的缺氧胁迫中维持了果蝇体内的氧气供应。
接下来作者探究了晶体细胞维持系统性氧气稳态的分子机制。果蝇幼虫体内有两种类型的血细胞，即血淋巴中的循环血细胞和定植于常驻组织的固着血细胞，两种血细胞的数量在正常状态下保持在恒定水平。然而，缺氧环境会导致幼虫体内的循环血细胞（包括浆细胞和晶体细胞）数量减少，造血囊（haematopoietic pocket）中的固着血细胞增多，而高氧显著增加了循环血细胞的数量，同时减少了造血囊中的固着血细胞数。因此，环境氧水平会改变血细胞类群的组成，导致造血囊和循环系统间的血细胞稳态发生协同变化。
造血囊中存在复杂的细胞间互作，涉及外周神经系统（PNS）细胞、皮肤细胞（一类类似于肝细胞的细胞）和气管等。作者继续探究了环境氧浓度变化时血细胞与造血囊发生粘附互作的细胞类型，发现造血囊内的气管产生的H2O2诱导了血细胞与气管的相互作用，导致了血细胞的移位，这一过程独立于PNS神经元介导的发育性粘附。鉴于在缺乏晶体细胞的lzr15突变体中观察到的缺氧表型，作者接下来研究了环境氧浓度变化时晶体细胞是否在与气管协作动员血细胞方面发挥了作用。结果发现晶体细胞，而非浆细胞，对于它们自身和浆细胞对造血囊的粘附以及内部氧稳态至关重要。此外，晶体细胞中的（1）铜离子调节剂，（包括Atox1、Ctr1A和MtnA），（2）碳酸酐酶（CAH2）的表达水平以及（3）PPO2的参与，是晶体细胞诱导血细胞归巢造血囊所必需的。
成熟的晶体细胞的胞质中包含内源性的结晶包涵物，主要由PPO2蛋白组成，作者鉴定到两类不同的成熟晶体细胞群，即含有PPO2蛋白的结晶体（PPO2crystal）和胞质（PPO2cytosol）形式。在铜离子和中性pH协助下，氧气被限制在晶体细胞含PPO2的晶体结构中，而当碳酸酐酶（CAH2）降低细胞内pH值时，PPO2晶体溶解，然后通过附着在气管上重新组装成晶体。可见，晶体细胞通过PPO2蛋白的动态组装和溶解调节内源性氧输送，这一过程受铜离子、胞质pH和气管供氧的调控，晶体细胞内PPO2结晶与氧结合的功能类似于脊椎动物的呼吸过程，维持了昆虫内部的氧气平衡。在长时间低氧环境中，晶体细胞内PPO2结晶逐渐溶解为细胞质形式，随后再次结晶。这一过程受到晶体细胞细胞质pH下降和CAH2活性的影响。晶体细胞通过气管获取的氧气和H2O2促进其偏向血细胞的生成过程，支持了氧气供应和呼吸稳态的调控。可见，PPO2的动态相变和晶细胞定位转换在维持果蝇体内氧气平衡中发挥重要作用。
与lzr15突变体相似，PPO2突变体或晶体细胞PPO2敲低的果蝇幼虫在常氧条件下会产生更多的TTBs，在低氧条件下，PPO2突变体中大多数器官的氧化水平与野生型相当，但脂肪体的氧化水平显著降低，并伴随核内sima蛋白（典型的低氧诱导转录因子）的高表达，进一步表明了PPO2通过调节晶体细胞的功能影响了动物的氧化状态和内部氧气调控。
与在常氧条件下培养的lzr15突变体幼虫类似，PPO2突变体在常氧条件下仅有61%的幼虫存活到第三龄期，低氧条件会进一步降低PPO2突变体幼虫的存活率。不仅如此，PPO2突变体发育到蛹期后体型比WT要小，高氧环境会诱导突变体蛹的大小恢复至WT水平。此外，来自大西洋马蹄蟹的血蓝蛋白可以在果蝇中替代PPO2的呼吸功能，恢复PPO2突变体在低氧环境中的异常表型。因此，晶体细胞中的PPO2水平对果蝇生存至关重要。
综上所述，本研究发现果蝇的晶体细胞引导血细胞在幼虫体壁气管和循环系统之间移动以收集氧气，并通过影响氧化前酚氧化酶2（PPO2）的相变来控制呼吸，缺乏晶体细胞或PPO2的幼虫在常氧条件下显示缺氧反应，存活率降低。本研究揭示了昆虫免疫细胞通过影响PPO2晶体的相变，与气管系统协作储存和运输氧气，促进内部氧气稳态，这一过程脊椎动物的呼吸过程类似。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07583-x
本文原文来自Nature，原文链接见上。