西南大学微孢子虫研究团队Trends in Parasitology综述丨微孢子虫的生存和逃逸机制

微孢子虫病的不可忽视性

1857年，著名生物学家Carl Nägeli‌报道了第一个命名的微孢子虫——家蚕微粒子虫（Nosema bombycis）。尽管早期已有关于鱼类等生物体内微孢子虫的记载，但Nägeli的报道通常被视为微孢子虫学的开端。19世纪，家蚕微粒子病在欧洲流行，几乎摧毁当地蚕业，迄今仍严重威胁各养蚕国家和地区。此后，越来越多的微孢子虫在哺乳动物、昆虫、水生动物中发现，并引发渔业、蜂业及水貂等特种动物养殖业的传染性疾病问题。如近年来，虾肝肠胞虫（Ecytonucleospora hepatopenaei）在世界各对虾养殖国家和地区流行，已成为威胁对虾养殖业健康发展的主要病原体之一。20世纪70年代后，伴随艾滋病的流行，微孢子虫对免疫功能低下人群造成的威胁逐渐受到医学界的关注。目前已知10个属的17种微孢子虫可引起人类肠道、眼部、肌肉、神经系统等的局部感染，亦可导致全身性感染。2021年，综述全球发表文章的一项报告指出，人类的微孢子虫患病率约为10.2%，且检出致病性微孢子虫污染水源的比例达58.5%。

环境中的孢子通过休眠来保存能量

环境中，微孢子虫主要以休眠孢子的形式保存能量和抵御外界不利条件。在长期协同进化过程中，微孢子虫发生了显著的基因组缩减与细胞器退化现象。过氧化物酶体完全丢失。线粒体减缩为纺锤剩体，丢失了TCA循环和氧化磷酸化，孢子期的微孢子虫主要依赖简化的糖酵解及海藻糖代谢供能。核糖体的rRNA片段、真核生物特有的rRNA扩展片段及部分蛋白（如eL38, eL41）发生缩减或丢失，从而降低蛋白质合成能耗。休眠孢子中rRNA基因位点发生5-甲基胞嘧啶（5mC）与5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）的高甲基化，可促进异染色质形成，抑制高能耗的代谢活动。此外，微孢子虫利用休眠因子MDF1/2和Lso2调节核糖体活性，或形成100S二聚体核糖体，实现可逆的核糖体休眠。孢子中，26S蛋白酶体解离，20S蛋白酶体活性位点被PI31L肽段结合，以抑制耗能的蛋白质降解。这些多层次的调控极大降低微孢子虫休眠孢子的代谢需求，从而在能量与物质资源受限的环境中实现长期存续。

▲图1 微孢子虫休眠孢子的能量节约机制

增殖期从宿主细胞中获取能量

微孢子虫基因组高度减缩、ATP合成能力极为有限（如毕氏肠脑炎微孢子虫的糖酵解途径仅保留了两个基因），必须通过多种策略从宿主细胞“窃取”能量以维持增殖。微孢子虫激活宿主线粒体磷酸甘油酸变位酶5（PGAM5），调控DRP1蛋白的去磷酸化和磷酸化，促使其转位至线粒体外膜，诱导线粒体片段化，增强宿主代谢以提供更多ATP。微孢子虫表达定位于寄生虫-宿主界面的核苷酸转运蛋白（如NTTs、MFS和ATP/ADP转运蛋白等），直接摄取宿主细胞质中的ATP和GTP。海伦脑炎微孢子虫（Encephalitozoon hellem）通过表面蛋白EhSSP1结合宿主线粒体外膜电压依赖性阴离子通道蛋白VDAC，使线粒体靠近寄生泡，便于能量的直接转运。部分微孢子虫还分泌己糖激酶，磷酸化宿主的葡萄糖以促进糖酵解利用。这些策略体现了微孢子虫对宿主能量的高效掠夺。

▲图2 微孢子虫获取宿主能量策略

通过免疫逃逸机制逃避免疫清除

宿主与微孢子虫之间的免疫博弈决定感染的结局。微孢子虫使用多种策略激活或抑制宿主的反应，以逃避宿主的清除。

调控宿主先天免疫。在无脊椎动物宿主中，微孢子虫通过下调免疫效应分子（如铁蛋白、组织蛋白酶、抗菌肽等）和抑制血淋巴黑化反应来逃避宿主免疫。例如，家蚕微孢子虫分泌丝氨酸蛋白酶抑制剂NbSPN6，阻断宿主酚氧化酶原激活级联，从而抑制黑化。在脊椎动物中，微孢子虫可通过释放抗炎因子（如TGF-β、PGE2），抑制促炎因子（如TNF-α、IL-12）等促进胞葬作用，或诱导巨噬细胞向具有免疫抑制和组织修复特征的M2型极化，降低吞噬和杀菌活性以抑制宿主免疫反应，并使内化的孢子可在M2细胞中发芽逃逸。微孢子虫还能抑制树突状细胞（DC）的分化和成熟。E. intestinalis通过IL-6抑制DC前体分化。E. hellem的蛋白磷酸酶PP1靶向DC的p38α/NFAT5信号轴，降低DC的吞噬和抗原呈递能力。此外，微孢子虫诱导宿主细胞的趋化因子CCL2、CCL3和CCL4表达，促进单核细胞迁移，为病原播散至全身提供条件。

抑制宿主适应性免疫。脊椎动物的适应性免疫主要依赖T淋巴细胞介导的细胞免疫和B淋巴细胞介导的体液免疫。微孢子虫（如E. cuniculi）感染可诱导小鼠和兔产生CD4⁺和CD8⁺ T细胞反应，引起免疫抑制性检查点Ctla4和Lag3高表达，导致CD4+ T细胞耗竭。免疫检查点的异常激活会传递抑制信号，从而削弱免疫激活，使病原体得以逃避免疫清除。此外，微孢子虫感染诱导小鼠产生IgA、IgM和IgG抗体，但仍无法保护IFN-γ基因缺失小鼠免受致命感染，表明微孢子虫已进化出逃避体液免疫的有效策略。不过，目前关于微孢子虫如何逃逸脊椎动物适应性免疫系统的具体机制仍知之甚少，需要进一步研究。

调控宿主细胞周期与细胞凋亡。微孢子虫可诱导宿主细胞周期停滞。如脑炎微孢子虫感染后，宿主细胞有丝分裂下降，DNA复制减少，S期细胞比例增加而G1/G2-M期减少。蜜蜂微孢子虫通过上调cyclin B1、E2F2或cyclin E来促进宿主G1/S期转换，为病原体增殖创造有利条件。此外，微孢子虫能有效抑制宿主细胞凋亡。家蚕微孢子虫分泌丝氨酸蛋白酶抑制剂NbSPN14，抑制家蚕中凋亡相关蛋白酶Caspase 3同源物BmlCE的活性。蜜蜂微孢子虫和脑炎微孢子虫通过下调促凋亡基因（如 BIRC5、BAD、Bcl2l1等），上调抗凋亡基因（如Buffy、Birc2、CD40LG等），抑制Caspase 3酶的活性。部分微孢子虫感染还会抑制p53的磷酸化和核转移，从而抑制Caspase 3的裂解。E. hellem的EnP1蛋白可改变宿主核小体组蛋白H2B的修饰，增强宿主细胞对铁死亡的抵抗。这些功能协同的机制帮助微孢子虫劫持宿主细胞周期、抵抗程序性细胞死亡，从而确保其在胞内长期存活与高效增殖。

▲图3 微孢子虫的宿主细胞逃逸策略

劫持自噬作用。自噬是真核细胞保守的降解途径，可清除胞内异物，是重要的抗病原体防御机制。秀丽隐杆线虫利用异源自噬途径限制巴黎杀线虫微孢子虫（Nematocida parisii）的增殖。家蚕微孢子虫分泌效应蛋白“劫持”宿主内质网相关降解（ERAD）通路，抑制宿主线粒体自噬，以平衡宿主线粒体受微孢子虫干扰后的稳态。然而，兔脑炎微孢子虫感染能显著诱导兔肾细胞RK-13的自噬，并反过来利用自噬系统促进微孢子虫的增殖，且能逃避自噬体的清除。说明微孢子虫成功将自噬从宿主防御工具转化为自身的生存资源。自噬在微孢子虫感染中具有双重作用，但其分子调控网络和下游效应机制还需深入研究。

从宿主细胞中逃逸的非裂解方式。微孢子虫可破坏宿主细胞将孢子释放到环境中，也存在操纵宿主细胞骨架以非裂解方式逃逸的策略。巴黎杀线虫微孢子虫在孢子形成阶段会产生一种带有RAB-11标记的膜包裹区室（SCCs）。随后，SCCs被运输至肠上皮细胞的顶端表面，并借助宿主Rho GTP酶，使肌动蛋白ACT-5在SCCs周围形成包被。最终，SCCs通过宿主的定向胞吐作用与顶端细胞膜融合，将孢子释放到肠腔中，整个过程不引起明显的细胞溶解或严重损伤。这种非裂解性逃逸有利于维持低水平的促炎信号，避免过度免疫激活。

总结和展望

作为专性细胞内寄生的病原体，微孢子虫的生存与逃逸依赖于一系列重要的机制。它们能在环境中形成休眠孢子以抵御外界压力，进入宿主后则通过劫持宿主防御系统来逃避清除。宿主与微孢子虫之间的免疫博弈是一个动态过程，不同物种及宿主间存在差异，目前仍有许多机制尚未阐明，例如免疫检查点在微孢子虫感染中的具体作用、侵染的孢原质如何迅速逃避免疫应答等。新兴技术如单细胞测序、深度宏基因组测序、高通量长读长测序等有望推动微孢子虫-宿主互作研究。深入解析微孢子虫的生存与逃逸机制，将为新型抗微孢子虫药物的研发及高效防控策略的制定提供重要的科学依据。

相关研究发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊

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