Nature子刊：粘液中发现的分子可以阻止真菌感染

麻省理工学院(MIT)的研究人员现在已经确定了黏液中可以与白色念珠菌相互作用并防止其引起感染的成分。这些被称为聚糖的分子是黏蛋白的主要成分，黏蛋白是构成黏液的凝胶形成聚合物。

黏蛋白含有许多不同的聚糖，它们是复杂的糖分子。麻省理工学院Andrew and Erna Viterbi教授卡塔琳娜·里贝克(Katharina Ribbeck)说，越来越多的研究表明，聚糖可以被专门用于帮助驯服特定的病原体——不仅是白色念珠菌，还包括铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌等其他病原体。

利用这些粘蛋白可以帮助研究人员设计新的抗真菌药物，或使致病真菌对现有药物更敏感。目前这类药物很少，一些类型的病原真菌已经对它们产生了耐药性。

研究团队的主要成员还包括巴塞尔大学(University of Basel)的研究助理蕾切尔·希维(Rachel Hevey);乔治亚大学(University of Georgia)生物化学和分子生物学教授迈克尔·蒂迈尔(Micheal Tiemeyer);哈佛医学院外科教授理查德·卡明斯(Richard Cummings);加州大学默塞德分校(University of California at Merced)分子与细胞生物学副教授克拉丽莎·诺比尔(Clarissa Nobile);以及俄亥俄州立大学微生物感染与免疫以及微生物学教授丹尼尔·沃兹尼亚克。

麻省理工学院研究生Julie Takagi是这篇发表在《自然化学生物学》上的论文的主要作者。

真菌在我们中间

在过去的十年里，里贝克和其他人发现，黏液远不是一种惰性废物，而是在控制潜在有害微生物方面发挥着积极作用。在覆盖人体大部分部位的黏液中，有着密集的不同微生物群落，其中许多有益，但也有一些有害。

白色念珠菌是一种如果不加以控制就可能有害的微生物，它会导致口腔和咽喉感染，如鹅口疮或阴道酵母菌感染。这些感染通常可以用抗真菌药物清除，但血液或内脏器官的侵袭性白色念珠菌感染可能发生在免疫系统较弱的人身上，致死率高达40%。

里贝克之前的研究表明，粘蛋白可以阻止白色念珠菌细胞从圆形酵母转变为称为菌丝的多细胞细丝，这是一种有害的微生物。菌丝可以分泌毒素，破坏免疫系统和底层组织，也是生物膜形成的必要条件，这是感染的标志。

Takagi说:“大多数念珠菌感染是由致病性生物膜引起的，这种生物膜本质上对宿主免疫系统和抗真菌疗法具有耐药性，为治疗带来了重大的临床挑战。”

在黏液中，酵母细胞继续生长和茁壮成长，但它们不会致病。

“这些病原体似乎不会对健康人造成伤害，”里贝克说。“黏液中有一种东西已经进化了数百万年，它似乎可以抑制病原体。”

黏蛋白由数百个聚糖组成，附着在一个长长的蛋白主干上，形成瓶刷状结构。在这项研究中，Ribbeck和她的学生想要探索聚糖是否可以自己解除白色念珠菌的武装，从粘蛋白主干分离，或者如果整个粘蛋白分子是必要的。

在从主干分离出聚糖后，研究人员将其暴露于白色念珠菌中，发现这些聚糖集合可以阻止单细胞念珠菌形成细丝。它们还可以抑制粘附和生物膜的形成，并改变白色念珠菌与其他微生物相互作用的动力学。这对于来自人类唾液和动物胃肠道粘液的粘蛋白聚糖来说是正确的。

从这些集合中分离出单个聚糖是非常困难的，所以Hevey的团队在巴塞尔大学的研究人员合成了六种不同的聚糖，它们在黏膜表面最丰富，并使用它们来测试单个聚糖是否可以解除白色念珠菌。

“目前的技术几乎不可能从黏液样本中分离出单个聚糖，”Hevey说。“研究单个聚糖特性的唯一方法是合成它们，这涉及到极其复杂和漫长的化学过程。”她和她的同事是世界上少数研究小组中的一员，他们正在开发合成这些复杂分子的方法。

对念珠菌基因表达的分析发现，500多个基因在与聚糖相互作用后上调或下调。这些不仅包括参与纤维和生物膜形成的基因，还包括氨基酸合成和其他代谢功能。其中许多基因似乎是由一种被称为NRG1的转录因子控制的，这是一种由聚糖激活的主调节因子。

里贝克说:“聚糖似乎真的进入了生理途径，并重新连接了那些微生物。”“这是一个巨大的分子库，可以促进宿主的兼容性。”

在这项研究中进行的分析也允许研究人员将特定粘蛋白样本与其中发现的聚糖结构联系起来，这应该允许他们进一步探索这些结构如何与微生物行为相关联，Tiemeyer说。

他说:“使用最先进的糖学方法，我们已经开始全面定义粘蛋白聚糖多样性的丰富程度，并将这种多样性注释为对宿主和微生物都有功能意义的图案。”

分子库

本研究结合Ribbeck之前对铜绿假单胞菌的研究以及正在进行的对金黄色葡萄球菌和霍乱弧菌的研究，表明不同的聚糖可以特异性地使不同种类的微生物失效。

她希望通过利用这种聚糖，研究人员将能够开发针对不同传染病的新疗法。举个例子，聚糖可以用来阻止念珠菌感染或帮助它对现有的抗真菌药物敏感，通过打破它们在致病状态下形成的细丝。

里贝克说:“单是聚糖就可能逆转感染，并将念珠菌转化为一种对身体危害较小的生长状态。”“它们也可能使微生物对抗真菌药物敏感，因为它们使它们个体化，从而使它们更容易被免疫细胞控制。”

里贝克现在正与专门从事药物输送的合作者合作，寻找将粘蛋白聚糖输送到体内或皮肤等表面的方法。她还在进行几项研究，研究聚糖如何影响各种不同的微生物。她说:“我们正在研究不同的病原体，学习如何利用这组令人惊叹的天然调控分子。”

诺比莱说:“我对这项新工作感到非常兴奋，因为我认为它对我们未来如何开发新的抗菌疗法有重要的影响。”“如果我们找到了治疗方法，将这些保护性粘蛋白聚糖输送或增加到人类黏膜层，我们可能会通过保持共生微生物的形式来预防和治疗人类感染。”

这项研究由美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会、美国陆军研究办公室通过合作生物技术研究所和瑞士国家科学基金会资助。

Journal Reference:

Julie Takagi, Kazuhiro Aoki, Bradley S. Turner, Sabrina Lamont, Sylvain Lehoux, Nicole Kavanaugh, Megha Gulati, Ashley Valle Arevalo, Travis J. Lawrence, Colin Y. Kim, Bhavya Bakshi, Mayumi Ishihara, Clarissa J. Nobile, Richard D. Cummings, Daniel J. Wozniak, Michael Tiemeyer, Rachel Hevey, Katharina Ribbeck. Mucin O-glycans are natural inhibitors of Candida albicans pathogenicity. Nature Chemical Biology, 2022; DOI: 10.1038/s41589-022-01035-1