血吸虫体内硫胺素（维生素B1）的代谢

Schistosoma mansoni利用表面酶SmAP分解外源维生素B1磷酸酯（ThMP/ThPP），其中SmAP特异性水解ThMP，而ThPP需其他未characterized酶协同。研究发现Schistosoma存在ThPP转运蛋白同源物SmThPPT及线粒体定位的ThPP转运蛋白，并发现Thiamine pyrophosphokinase同源物SmTPK可能参与维生素B1的磷酸化循环。游离维生素B1的积累可能通过免疫调节作用维持寄生虫在宿主体内的生存环境。

Akram A. Da’dara|Roshni Gondane|Julia Pacheco|Shannon E. O’Connor|Patrick J. Skelly

分子蠕虫学实验室，感染性疾病与全球健康系，塔夫茨大学兽医学院，北格拉夫顿，马萨诸塞州01536，美国

摘要

血吸虫是一种血管内寄生扁虫，它们从血液中获取生存所需的所有营养。本文重点探讨了这些寄生虫如何获取和代谢一种必需的营养素——维生素B1（硫胺素）。活的成年雄性和雌性Schistosoma mansoni寄生虫能够分解外源性硫胺素单磷酸（ThMP）和硫胺素焦磷酸（ThPP）以生成游离硫胺素。在血吸虫表面表达的三种核苷酸代谢外酶（SmAP、SmNPP5和SmATPDase1）中，只有SmAP能够分解这些代谢物。通过RNAi抑制SmAP基因的寄生虫在分解ThMP的能力上明显受损，但在分解ThPP方面与对照组无差异。因此我们得出结论：虽然SmAP可以单独分解ThMP，但还有其他（尚未鉴定的）外酶也能分解ThPP。当血吸虫在鼠血浆中培养时，硫胺素和磷酸盐的水平会随时间增加，这一发现与我们的数据一致。在寄生虫周围生成游离硫胺素应该有助于它们方便地吸收这种重要的代谢物。然而，我们未能在血吸虫中找到其他系统中描述的硫胺素转运蛋白的同源物。相反，我们在计算机模拟中鉴定出一种ThPP转运蛋白的同源物（SmThPPT）。此外，还发现了一种血吸虫线粒体中的ThPP转运蛋白同源物，它可能将部分导入的ThPP从细胞质转移到线粒体中。最后，我们报道了一种硫胺素焦磷酸激酶同源物（SmTPK），它可以催化硫胺素生成焦磷酸。如果游离硫胺素不被吸收，由于它具有抗炎作用，可能会在血液中为寄生虫创造一个更适宜的外部环境。

引言

血吸虫是一种寄生扁虫，全球有超过2亿人感染，导致一种称为血吸虫病的衰弱性疾病。慢性感染可导致贫血、营养不良和生长迟缓，尤其是在儿童中。该疾病的病理主要源于寄生虫卵在宿主组织（如肝脏）周围引发的炎症反应。

有三种血吸虫是人类感染的主要来源，分别是Schistosoma mansoni、S. haematobium和S. japonicum。它们的生命周期需要两种宿主：人类（或其他哺乳动物）和特定的淡水螺类。许多寄生虫卵通过受感染终末宿主的粪便（或尿液，取决于物种）排出。当这些卵进入淡水后，会孵化出自由游动的尾蚴，这些尾蚴会侵入合适的螺类中间宿主体内。在螺体内，寄生虫进行无性繁殖并产生大量称为尾蚴的幼虫。这些尾蚴从螺体中释放出来进入水中，然后可以感染人类终末宿主。尾蚴穿过皮肤后，会转变为新的幼虫形式——血吸虫幼体，并通过血管迁移到肺部和肝脏，在肠系膜静脉中成熟为成虫。雄性和雌性成虫配对并开始产卵；一些卵被排出以延续生命周期，而另一些则滞留在组织中，从而导致疾病的发生。

血吸虫可以在其终末宿主的血管中存活多年，在那里它们获取生长和生存所需的所有营养。寄生虫吸收宿主的血液，这些血液成分在肠道中被消化[3]。此外，许多代谢物（如葡萄糖、氨基酸和水）可以直接通过它们的皮肤（外皮）被吸收[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]。血管内寄生虫如何获取和代谢维生素一直是近期研究的主题[11, 12, 13]。这些研究基于这样的观察：当血吸虫在鼠血浆中培养时，会显著改变血浆的代谢组谱，包括某些维生素的水平。例如，与不含寄生虫的对照血浆相比，血吸虫培养后的血浆中维生素B6（吡哆醛）和维生素B3（烟酰胺）的水平迅速升高[11, 12]。虽然维生素B2（核黄素）的水平没有变化，但含有核黄素的辅因子黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和黄素单核苷酸（FMN）的水平会随时间变化：FAD水平下降，而FMN水平上升[13]。

我们的实验室长期以来一直关注血吸虫外皮如何促进寄生虫的成功，特别是血吸虫外皮中的外酶如何解释寄生虫在血浆中引起的代谢组变化[14]。我们已经鉴定了三种在控制寄生虫外部环境生物化学中起关键作用的S. mansoni外酶：S. mansoni碱性磷酸酶（SmAP）[15, 16, 17, 18]、S. mansoni磷酸二酯酶/焦磷酸酶（SmNPP5）[17, 18, 19]和S. mansoniATP二磷酸水解酶1（SmATPDase1）[20]。这三种酶都被免疫定位在外皮上，并且在对外皮制备物的蛋白质组分析中常规检测到[15, 16, 17, 18, 19, 20]。

SmAP是一种约60 kDa的糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚定蛋白，既表达在外皮中也表达在血管内寄生虫的内部组织中[15, 16, 17, 18]。这种酶可以分解多种核苷单磷酸，包括腺苷单磷酸（AMP）、鸟苷单磷酸（GMP）、胞苷单磷酸（CMP）和胸苷单磷酸（TMP）[21]。SmAP还可以分解生物活性脂质鞘氨醇-1-磷酸（S1P）和促炎聚合物多磷酸（polyP）[21, 22]。

SmNPP-5是一种约53 kDa的GPI连接酶，仅在哺乳动物生命周期阶段表达；它可以分解腺苷三磷酸（ATP）、腺苷二磷酸（ADP）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）[18, 23, 24]。对于寄生虫的生存来说，SmNPP5是必需的，因为通过RNAi抑制SmNPP5基因的寄生虫在实验动物中的感染能力显著受损[17]。

SmATPDase1是一种约61 kDa的apyrase酶，可以在碱性pH值下以阳离子依赖的方式降解ATP和ADP[20]。该蛋白具有两个对酶功能至关重要的跨膜结构域[20]。

关于维生素，我们的研究表明这些外酶主要作用于分解血液中更复杂的（例如磷酸化的）维生素形式[11, 12]。这导致较小的维生素核心分子在局部积累，我们假设这些分子可以被寄生虫方便地吸收，从而促进其代谢。例如，活体寄生虫上的碱性磷酸酶SmAP可以分解外源性吡哆醛磷酸（PLP，维生素B6），导致血浆中游离吡哆醛的积累[11]。类似地，脊椎动物对吡哆醛的吸收首先涉及由膜结合的碱性磷酸酶催化的PLP脱磷酸化[25]。

关于维生素B2，我们已经证明外酶SmNPP5可以分解外源性FAD生成FMN，然后外酶SmAP可以进一步脱磷酸化FMN，在寄生虫周围生成游离维生素B2（核黄素）[13]。部分核黄素通过新鉴定的S. mansoni核黄素转运蛋白SmaRT被寄生虫内化[12]。这种531个氨基酸的蛋白质在CHO-S细胞中表达时介导核黄素的吸收；运输过程不依赖于钠，并且可以在广泛的pH范围内进行[12]。

在本文中，我们扩展了对血吸虫中维生素生物化学的分析，重点关注硫胺素（维生素B1）的代谢。

部分片段

寄生虫与小鼠

使用了波多黎各株Schistosoma mansoni（NMRI）。成年雄性和雌性寄生虫通过门脉灌注从感染了约100个尾蚴的Swiss Webster小鼠中回收[26]。尾蚴由受感染的Biomphalaria glabrata螺类释放[26]。成年S. japonicum和S. haematobium寄生虫分别通过灌注从感染的小鼠和仓鼠中回收，这些寄生虫来自生物医学研究机构的血吸虫病资源中心

鼠血浆中的硫胺素水平

图1显示了含有（+）或不含（–）成年血吸虫的血浆中硫胺素浓度的相对变化。如图所示，含有寄生虫的血浆在两个时间点的硫胺素水平均显著高于未培养寄生虫的对照血浆以及基线（0分钟）（ANOVA，P < 0.01）。与所有其他时间点相比，60分钟时的硫胺素水平显著升高（P < 0.0001）。

讨论

所有生物体都使用硫胺素（维生素B1），但它仅由细菌、真菌和植物产生[36]。包括血吸虫在内的动物对此维生素是辅助营养型的，因此必须从外部来源获取——对于血管内血吸虫来说，是从宿主的血液中获取。对于所有动物来说，硫胺素是一种必需的营养素，作为辅酶对碳水化合物、脂肪和蛋白质的代谢至关重要[36]。硫胺素参与细胞呼吸和脂肪酸

CRediT作者贡献声明

Roshni Gondane：写作——审阅与编辑、方法学、研究。Akram Da’darah：写作——审阅与编辑、验证、监督、方法学、研究、正式分析。Shannon O’Connor：研究。Julia Pacheco：写作——审阅与编辑、研究。Patrick Skelly：写作——审阅与编辑、初稿撰写、监督、项目管理、资金获取、概念构思

资金

这项研究由美国国立卫生研究院的国家过敏和传染病研究所资助，项目编号为AI137667。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢Éabha Brennan的有益讨论。

受感染的螺类以及成年S. haematobium和S. japonicum寄生虫由BRI通过NIH-NIAID合同号HHSN272201000005I提供的血吸虫病资源中心提供。