图注：绿色所示为弓形虫，蓝色为宿主及寄生虫的细胞核，洋红色所示为铁硫簇组装蛋白ISCU，该蛋白定位于寄生虫线粒体以维持其结构，是TgPRO的调控靶点之一。[怀特黑德研究所/卢里多实验室]
刚地弓形虫（Toxoplasma gondii）是一种全球范围内感染数亿人的寄生虫。尽管多数感染症状轻微，但在免疫功能低下人群及发育中的胎儿体内可引发严重病症。此外，弓形虫可通过在组织中形成长期存在的包囊在宿主体内存活数年，导致感染慢性化。
慢性感染阶段，数百个弓形虫可聚集在脑细胞或肌细胞内的组织包囊中。这种高密度生存模式存在诸多弊端：营养获取难度提升、代谢废物堆积、产能反应还可能产生细胞毒性。目前尚不清楚弓形虫如何重塑自身代谢，以在这种严苛条件下维持生长。
近期，怀特黑德研究所成员、麻省理工学院（MIT）生物学副教授塞巴斯蒂安·卢里多（Sebastian Lourido）博士团队的研究发现了一种寄生虫特有蛋白，可协调弓形虫应对上述高密度生存压力的应答过程。
这项在细胞水平开展、包含感染小鼠模型验证的临床前研究，揭示了寄生虫调控代谢的全新机制，同时发现了顶复门寄生虫中首个特异性调控代谢基因表达的调控因子。顶复门寄生虫包含弓形虫及引发疟疾的疟原虫（Plasmodium）属寄生虫。
【专业注释】顶复门：一类专性细胞内寄生的原生动物，多数具致病性
该蛋白名为刚地弓形虫寄生虫氧化应答蛋白（TgPRO），可通过调控能量产生及铁利用相关基因，帮助弓形虫应对氧化应激——即活性氧分子堆积引发的细胞损伤效应。本研究由卢里多实验室前博士生克里斯托弗·朱利亚诺（Christopher Giuliano）博士及在读博士生钦迈·卡卢拉亚（Chinmay Kalluraya）牵头完成，同时还提出了潜在的未来治疗策略：抑制TgPRO调控的通路可提升弓形虫对诱导氧化应激的抗寄生虫药物的敏感性。
【专业注释】氧化应激：活性氧积累超出细胞抗氧化能力引发的损伤状态
朱利亚诺与卡卢拉亚为该研究发表于《细胞》（Cell）期刊的论文共同第一作者，论文标题为《代谢调控的趋同演化介导弓形虫的氧化还原适应》，研究团队在报告中指出：“TgPRO可介导慢性感染阶段的代谢适应，对刚地弓形虫的有效传播至关重要。”
研究人员指出，当生物处于高密度生存状态、面临营养匮乏、氧化应激及废物堆积时，会调整代谢相关基因的表达。“生物可通过广泛抑制生物量合成或针对性调控特定通路来适应这些压力。”顶复门寄生虫在其感染周期中也会面临高密度生存环境，研究团队进一步说明：“然而，尽管顶复门寄生虫在宿主细胞内生长时会经历上述压力，但目前尚未发现其参与代谢适应的调控因子。”
为挖掘支持弓形虫在高密度细胞环境中存活的基因，研究人员采用全组成簇规律间隔短回文重复序列（CRISPR）筛选，对比低密度与高密度培养条件下的弓形虫生长表型。该筛选可分别在两种种群密度下逐一敲除基因，分析其效应，从而明确仅在高密度条件下发挥必需作用的基因。筛选结果显示，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）的合成与回收通路是高密度条件下弓形虫存活必需的，二者是能量产生及抗氧化损伤的核心分子。筛选还指向了此前未被研究的蛋白TgPRO，其在寄生虫高密度生存时发挥尤为关键的作用。研究人员表示：“高寄生虫密度条件下，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）/（NADP）+的生物合成是必需的，同时还需要多个寄生虫特有因子，包括我们命名为‘刚地弓形虫寄生虫氧化应答蛋白’（TgPRO）的RNA结合蛋白。”
【专业注释】CRISPR筛选：基于CRISPR编辑体系的高通量功能基因筛选技术
卡卢拉亚表示：“全基因组筛选是分析高密度环境如何影响寄生虫生存适应性的强大工具，我们发现TgPRO在高密度条件下发挥极为重要的作用，由于此前对该蛋白的功能几乎一无所知，我们希望解析其作用机制。”
研究显示，缺乏功能性TgPRO的寄生虫体内活性氧分子积累量更高，在高密度条件下的生长竞争能力显著下降。实验表明，TgPRO缺失会破坏线粒体功能，改变寄生虫对葡萄糖及其他营养物质的代谢模式。补充外源铁或恢复线粒体内关键化学平衡可改善寄生虫的生长状态，说明TgPRO的功能与铁依赖的能量代谢相关。研究人员指出：“总体而言，TgPRO可帮助寄生虫在高密度环境伴随的代谢压力下维持氧化还原平衡。”
研究团队进一步解析了其分子机制：TgPRO是一种RNA结合蛋白，可结合细胞内编码蛋白质的信使RNA（mRNA）。研究人员发现，TgPRO可结合并稳定一组特定的mRNA，这些mRNA参与营养利用、线粒体活性及铁硫簇组装过程，铁硫簇是多种酶行使功能必需的小分子结构。这些实验将最初的观察结果——部分寄生虫仅在高密度条件下出现生长缺陷——与调控蛋白及其RNA靶点的特异性互作直接关联。
【专业注释】铁硫簇：一类无机辅基，参与电子传递、酶催化等功能
卢里多表示：“本研究的一大亮点是我们实现了完整的证据链串联：从最初的表型观察、全基因组筛选到代谢效应解析，再到TgPRO与其靶标RNA的直接互作验证。”研究人员还发现，降低氧浓度可缓解氧化应激，部分恢复缺失TgPRO的寄生虫的生长能力。实验室培养弓形虫通常采用大气氧浓度，远高于多数动物组织内的氧含量，该结果说明氧环境可显著影响寄生虫的代谢，研究人员提示后续开展弓形虫研究时需将该因素纳入考量。
在人工高密度环境中验证了TgPRO的功能后，研究团队进一步测试了慢性感染阶段（此时弓形虫在脑内形成包囊）TgPRO是否仍发挥作用。感染缺乏功能性TgPRO的寄生虫的小鼠脑内包囊体积更小，说明在慢性感染阶段包囊的天然高密度环境中，TgPRO可支持寄生虫的生长。
朱利亚诺表示：“慢性感染阶段的研究目前仍存在诸多未知，证实TgPRO影响包囊生长说明脑内的寄生虫也需要进行相同的代谢调整，为解析弓形虫如何在脑内存活数月至数年提供了线索。”
TgPRO与哺乳动物、酵母及细菌中调控同类代谢程序的蛋白几乎没有同源性，但其调控的基因与这些生物面临氧化应激或营养条件变化时调整的基因类型高度相似。这是趋同演化的典型案例：亲缘关系较远的生物演化出不同的分子机制来解决相似的生物学问题。这种趋同性说明协调上述代谢通路可能是细胞适应压力的核心需求。
本研究建立了顶复门寄生虫代谢调控的新范式，为探索弓形虫在宿主体内的持留机制奠定了基础。研究人员总结道：“通过对一组协同代谢通路的转录后调控，TgPRO可帮助刚地弓形虫适应氧化应激，【注：原文此处为“chronic-stage cation”，存在明显笔误，推测应为“chronic-stage infection（慢性感染阶段）”】，该通路是顶复门寄生虫中响应环境信号介导代谢适应的独特调控案例。”