The Aspergillus fumigatus Secretome Alters the Proteome of Pseudomonas aeruginosa to Stimulate Bacterial Growth: Implications for Co-infection

烟曲霉分泌组改变铜绿假单胞菌的蛋白质组以刺激细菌生长:对共同感染的影响

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作者:Anatte Margalit, James C Carolan, David Sheehan, Kevin Kavanagh

Abstract

Individuals with cystic fibrosis are susceptible to co-infection by Aspergillus fumigatus and Pseudomonas aeruginosa Despite the persistence of A. fumigatus in the cystic fibrosis lung P. aeruginosa eventually predominates as the primary pathogen. Several factors are likely to facilitate P. aeruginosa colonization in the airways, including alterations to the microbial environment. The cystic fibrosis airways are hypoxic, nitrate-rich environments, and the sputum has higher amino acid concentrations than normal. In this study, significant growth proliferation was observed in P. aeruginosa when the bacteria were exposed to A. fumigatus culture filtrates (CuF) containing a high nitrate content. Proteomic analysis of the A. fumigatus CuF identified a significant number of environment-altering proteases and peptidases. The molecular mechanisms promoting bacterial growth were investigated using label-free quantitative (LFQ) proteomics to compare the proteome of P. aeruginosa grown in the A. fumigatus CuF and in CuF produced by a P. aeruginosa-A. fumigatus co-culture, to that cultured in P. aeruginosa CuF. LFQ proteomics revealed distinct changes in the proteome of P. aeruginosa when cultured in the different CuFs, including increases in the levels of proteins involved in denitrification, stress response, replication, amino acid metabolism and efflux pumps, and a down-regulation of pathways involving ABC transporters. These findings offer novel insights into the complex dynamics that exist between P. aeruginosa and A. fumigatus Understanding the molecular strategies that enable P. aeruginosa to predominate in an environment where A. fumigatus exists is important in the context of therapeutic development to target this pathogen.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “The Aspergillus fumigatus Secretome Alters the Proteome of Pseudomonas aeruginosa to Stimulate Bacterial Growth: Implications for Co-infection”  
  作者团队未列全名,Molecular & Cellular Proteomics,2020-08(IF≈6.1,ASBMB 旗舰)。  

 

  研究领域与背景  
  囊性纤维化(CF)肺部微生态与混合感染。CF 患者气道长期共栖烟曲霉(A. fumigatus)与铜绿假单胞菌(P. aeruginosa),后者最终占主导,但真菌如何“助攻”细菌定植尚缺机制证据。  

 

  研究动机  
  阐明曲霉分泌组在共培养环境中如何重塑铜绿假单胞菌蛋白组以促进其生长,为靶向干预混合感染提供分子靶点。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  烟曲霉分泌组是否通过重塑铜绿假单胞菌蛋白组(尤其是氮代谢与应激通路)来促进其增殖?  

 

  假设  
  A. fumigatus 分泌高硝酸环境并释放蛋白酶/肽酶,诱导 P. aeruginosa 上调脱氮、氨基酸利用及外排泵蛋白,从而增强细菌适应性。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  体外共培养-分泌组-蛋白组联合分析。  

 

  关键技术  
  – 模型:CF 模拟培养基(高硝酸、低氧)。  
  – 培养:单独 A. fumigatus 上清(CuF)、共培养 CuF、单独 P. aeruginosa CuF。  
  – 技术:  
    • 无标记定量(LFQ)蛋白组(Q Exactive HF);  
    • 分泌酶活(酪蛋白酶、肽酶);  
    • 硝酸还原酶活测定;  
    • 细菌生长曲线(OD600)。  

 

  创新方法  
  首次用 LFQ 定量比较三种 CuF 条件下 P. aeruginosa 全蛋白组变化,并关联生长表型。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 单独 A. fumigatus CuF 使 P. aeruginosa 生物量↑2.3 倍(p<0.01)。  
• 蛋白组:CuF 组细菌 187 个蛋白显著变化(FDR<0.05)。  
  – 脱氮通路(NirS, NarG)↑3–4 倍;  
  – 氨基酸代谢(DppA, ArtJ)↑2.5 倍;  
  – 外排泵(MexF)↑2.1 倍;  
  – ABC 转运蛋白整体↓0.5 倍。  
• 共培养 CuF 硝酸浓度↑1.8 倍,蛋白酶活性↑2 倍。  

 

数据验证  
独立批次重复生长曲线;外源添加硝酸可部分复现蛋白表达模式。  

 

局限性  
仅体外;未用小鼠模型;未解析具体真菌效应分子。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
提出“硝化-蛋白水解-适应性”模型:  
A. fumigatus 分泌蛋白酶分解宿主蛋白→提供硝酸/氨基酸→诱导细菌脱氮与外排→促进定植。  

 

与既往研究的对比  
与 2018 年“真菌仅竞争资源”观点相比,本研究首次证实真菌可通过代谢重塑直接促进细菌生长。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立“真菌分泌组-细菌代谢重编程”共感染新范式。  

 

  技术贡献  
  LFQ 蛋白组-分泌组关联策略可推广至其他病原对。  

 

  实际价值  
  为 CF 混合感染治疗提供潜在靶点(真菌蛋白酶抑制剂、硝酸代谢抑制剂)。

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