揭秘犊牛奥斯特线虫感染：转录组变化如何重塑免疫防线？

时间：2025年2月22日

来源：Scientific Data

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为解决胃肠道线虫感染防控难题及了解宿主免疫反应机制，Beltsville Agricultural Research Center 的研究人员对感染Ostertagia ostertagi的犊牛开展转录组分析。结果揭示了感染不同阶段基因表达变化，对防控研究意义重大，强烈推荐一读！

在广袤的牧场中，牛群自由自在地吃草，看似惬意，但它们却面临着一个无形的威胁 —— 胃肠道线虫感染。这种感染在温带气候地区的放牧牛群中极为普遍，就像隐藏在暗处的 “敌人”，悄无声息地给养牛业带来巨大损失。其中，奥斯特线虫（Ostertagia ostertagi）堪称最具 “杀伤力” 的 “反派” 之一，它严重影响着全球养牛业的经济效益。

奥斯特线虫感染牛群后，可谓 “恶行” 满满。它会引发牛胃肠道功能和组织形态的一系列变化，比如让胃黏膜增生，导致胃肠道蠕动和分泌物出现异常，胃酸减少，激素释放增加。感染的黏膜还会出现炎症，发红、变厚，甚至出血，形成结节，严重影响牛的健康。小牛感染后体重增长缓慢，成年奶牛产奶量下降，养殖户们看在眼里，急在心里。

目前，对抗胃肠道线虫主要依靠驱虫药和牧场管理。然而，驱虫药的使用却遭遇了 “滑铁卢”—— 耐药性问题日益严重。就好比细菌对抗生素产生耐药性一样，线虫也逐渐对驱虫药 “免疫”，这使得驱虫效果大打折扣。所以，开发新的防控方法迫在眉睫，其中免疫干预，如疫苗，成为了人们寄予厚望的方向。

要设计出有效的抗线虫疫苗，了解宿主对奥斯特线虫感染的反应至关重要。但尴尬的是，目前我们对于感染早期宿主与寄生虫相互作用的分子机制知之甚少。就像在黑暗中摸索，我们急需一盏明灯照亮前行的道路。

为了填补这一知识空白，来自 Beltsville Agricultural Research Center 的研究人员勇挑重担。他们在《Scientific Data》期刊上发表了一篇名为 “Transcriptomic analysis of the abomasal mucosa in Holstein calves experimentally infected with Ostertagia ostertagi” 的论文。通过深入研究，他们发现了感染不同阶段牛皱胃（反刍动物的第四胃）黏膜基因表达的变化规律，这为理解宿主的免疫反应提供了关键线索，就像找到了打开宿主与寄生虫相互作用奥秘之门的钥匙，对开发新的防控策略意义非凡。

研究人员为了开展这项研究，用到了几个主要关键的技术方法。首先是 RNA 测序（RNA-seq）技术，它就像一个基因 “探测器”，可以测定牛皱胃黏膜的转录组概况；接着利用生物信息学分析，对测序得到的数据进行深入挖掘，从而探究基因表达随时间的变化情况；主成分分析（PCA）也发挥了重要作用，它能够评估样本质量，找出潜在的异常值和批次效应。

下面让我们来看看具体的研究结果：

时间特异性表达：研究人员通过计算时间特异性指数（Tau - τ）来了解基因表达的特点。结果发现，在所有时间点，非时间特异性基因的数量都比时间特异性基因多。在皱胃底部黏膜中，10 天和 21 天感染时的泛在基因（τ＜0.5）比 3 - 5 天和 7 - 9 天感染时少，而时间特异性基因（τ≥0.9）数量在各个时间点相似，并且非时间特异性基因数量总体呈下降趋势。在幽门黏膜中，泛在基因和时间特异性基因数量在各个时间点较为相似，但 7 - 9 天感染时时间特异性基因数量较高。通过对时间特异性基因进行 GO 富集分析发现，随着时间推移，感染宿主的反应从非免疫反应逐渐转变为免疫反应。10 天和 21 天感染时，时间特异性基因主要参与防御和免疫反应，涉及到许多与免疫相关的基因，如CCL22、CCR2等；而早期感染阶段（3 - 5 天和 7 - 9 天）的时间特异性基因则主要与离子运输、细胞分化和发育相关。这就好比在感染初期，身体忙着调整内部的 “基础设施”，到了后期则全力启动 “免疫防御部队”。
时间进程差异基因表达谱分析：利用 maSigPro 软件对基因表达谱进行分析，研究人员发现皱胃底部组织中有 1816 个基因在不同时间点表达差异显著。这些基因被分为四个簇，簇 1 和簇 3 的基因表达随时间增加，不过簇 3 的基因在 21 天感染时表达更高；簇 4 的基因在 0 天感染时表达较高，随后呈下降趋势。通过 GO 富集分析可知，簇 1 的基因参与细胞迁移、黏附等过程；簇 2 的基因主要与蛋白质定位和运输等相关；簇 3 的基因涉及免疫反应、T 细胞激活等防御机制。在幽门组织中，只有 89 个基因在不同时间点表达差异显著。簇 1 的基因表达随时间下降，簇 2 和簇 4 的基因表达随时间增加，簇 3 的基因在 10 天感染时表达较高，21 天感染时恢复到基础水平。簇 2 和簇 3 的基因也参与了免疫功能，比如细胞和白细胞激活、免疫效应过程调节等。这表明不同组织在感染过程中的基因表达变化不同，各自有着独特的 “应对策略”。

综合研究结果，研究人员得出结论：他们成功描绘了感染奥斯特线虫的荷斯坦犊牛皱胃黏膜在不同感染阶段的转录组变化。发现早期感染阶段，基因表达主要与细胞基础功能相关，后期则主要参与免疫反应。这一研究为理解宿主对奥斯特线虫感染的免疫反应提供了全面的数据支持，就像绘制了一幅详细的 “作战地图”，让我们清楚地看到宿主在面对寄生虫入侵时各个阶段的 “行动路线”。

这项研究意义重大。它为后续研究宿主 - 寄生虫相互作用机制奠定了坚实基础，研究人员可以基于这些发现，进一步探究如何增强宿主的免疫反应，从而开发出更有效的抗线虫疫苗。同时，这些数据也有助于深入了解牛的健康和生产性能相关的遗传机制，对提高养牛业的经济效益和可持续发展具有重要推动作用。未来，或许在这些研究成果的帮助下，牧场里的牛群能够摆脱奥斯特线虫的威胁，健康快乐地成长，养牛业也将迎来新的发展契机。