引言
果蠅（Drosophila）的呼吸系統長期以來被認為完全依賴于複雜的氣管系統，不需要循環系統或免疫細胞的協助。然而，6月26日Nature的報道“Drosophila immune cells transport oxygen through PPO2 protein phase transition”，揭示了果蠅晶體細胞（crystal cells），一種類似于髓樣細胞的免疫細胞，能夠通過氧化前酚氧化酶2（Prophenoloxidase 2, PPO2）蛋白來控制呼吸。晶體細胞在幼蟲體壁的氣管和循環系統之間移動，以收集氧氣。在銅和中性pH值的幫助下，氧氣被困在晶體細胞的PPO2晶體結構中。當碳酸酐酶降低細胞内pH值時，PPO2晶體可以溶解，然後在細胞内重新組裝成晶體，并附着于氣管。生理上，缺乏晶體細胞或PPO2，或表達銅結合突變體PPO2的幼蟲，在常氧條件下會表現出低氧反應，并且易受低氧影響。這些低氧表型可以通過高氧、表達節肢動物血藍蛋白（haemocyanin）或防止幼蟲打洞活動以暴露其呼吸器官來恢複。是以，研究人員提出，昆蟲免疫細胞通過PPO2晶體的相變與氣管系統協同工作，儲存和運輸氧氣，進而在類似于脊椎動物呼吸的過程中，促進内部氧氣的平衡。氧氣是生命必需的分子，運輸氧氣的能力是動物進化的關鍵驅動力。是以，許多結合氧氣的蛋白質和高效氣體交換的機制在動物王國中進化。在大多數脊椎動物中，氧氣主要通過血紅蛋白（haemoglobin）結合，并在紅細胞中運輸，這些紅細胞通過封閉的循環系統循環，通過Bohr效應和氧分壓差釋放或保持氧氣。一些無脊椎動物，如軟體動物和一些節肢動物亞門，擁有血藍蛋白，這是一種在血淋巴中自由循環的氧氣載體蛋白，用于對流氧氣輸送，而不需要特定的免疫細胞類型的協助。在昆蟲中，過去認為密集協調的氣管系統足以進行氣體交換，而專門用于呼吸的免疫細胞或呼吸蛋白是不必要的。該研究通過描述晶體細胞在應對氧氣變化時，通過PPO2蛋白的相分離和轉化直接參與氧氣運輸和擷取，確定動物的生長和存活，進而解決了昆蟲免疫細胞是否與呼吸控制相關的關鍵問題。
氧氣是生命必需的分子，動物在進化過程中發展出多種機制來高效地擷取和運輸氧氣。在脊椎動物中，氧氣主要通過血紅蛋白（haemoglobin）運輸。然而，昆蟲的氣體交換系統過去一直被認為完全依賴于複雜的氣管系統，無需循環系統或免疫細胞的協助。該研究揭示了果蠅晶體細胞（crystal cells）在氧氣控制中的新角色，通過氧化前酚氧化酶2（Prophenoloxidase 2, PPO2）蛋白來儲存和運輸氧氣。
果蠅（Drosophila）作為模式生物，在遺傳學和發育生物學研究中具有重要地位。其獨特的氣管系統能夠高效地進行氣體交換，以滿足其代謝需求。然而，果蠅幼蟲在發育過程中會鑽洞覓食，這可能會暴露于低氧環境中。為了應對這種挑戰，果蠅進化出了晶體細胞，通過PPO2蛋白的晶體結構來儲存和運輸氧氣，進而維持内部氧氣平衡。
研究團隊利用多種遺傳和生化手段來探究晶體細胞在氧氣控制中的作用。首先，他們使用了多種果蠅品系，包括缺乏晶體細胞或PPO2的突變體，并通過改變環境氧氣濃度來觀察其對幼蟲發育和存活的影響。此外，研究人員還使用了熒光标記和顯微成像技術來觀察晶體細胞中PPO2蛋白的動态變化。例如，他們通過在果蠅幼蟲體内引入PPO2-eGFP融合蛋白，實時觀察PPO2從晶體到細胞質之間的轉變過程 。在實驗設計方面，研究人員使用了多種果蠅品系，包括HmlΔ-Gal4、lz-LexA等，并通過引入特定的基因敲降或過表達來研究晶體細胞和PPO2的功能 。他們還采用了不同的氧氣條件，如常氧（21% O2）、低氧（5% O2）和高氧（60% O2），來觀察不同氧氣濃度對晶體細胞和PPO2功能的影響 。
晶體細胞（crystal cells）如何控制内部氧氣平衡，以及環境氧氣濃度如何決定血細胞（haemocytes）的定位（Credit: Nature）
晶體細胞對幼蟲存活的重要性：圖a顯示了在常氧條件下（21% O2），對照組幼蟲和缺乏晶體細胞的突變體幼蟲的存活率。結果顯示，缺乏晶體細胞的突變體幼蟲存活率顯著降低。圖c進一步展示了在高氧條件下（60% O2），缺乏晶體細胞的突變體幼蟲的存活率恢複到與對照組相似的水準，表明高氧可以部分補償缺乏晶體細胞導緻的低氧表型。晶體細胞缺乏對氣管結構的影響：圖b顯示了在常氧條件下，缺乏晶體細胞的突變體幼蟲氣管末端分支（TTBs）的數量顯著增加。這種現象在低氧條件下（5% O2）也得到了觀察，而在高氧條件下則得到了恢複。食物深度對幼蟲低氧表型的影響：圖d和圖e顯示了将食物深度從15毫米減少到3毫米後，缺乏晶體細胞的突變體幼蟲的存活率和氣管末端分支數量得到了顯著改善。這表明淺層食物可以緩解幼蟲的低氧應激，幫助其維持氧氣平衡。環境氧氣濃度對血細胞定位的影響：圖f和圖g展示了在不同氧氣濃度下，血細胞在血淋巴（haemolymph）中的循環和在造血口袋（haematopoietic pocket）中的定位。結果表明，在低氧條件下，大多數血細胞從循環系統中撤出，聚集在造血口袋中；相反，在高氧條件下，循環系統中的血細胞數量顯著增加，而造血口袋中的血細胞數量減少。
研究發現，晶體細胞能夠在幼蟲體壁的氣管和循環系統之間移動，以收集氧氣。在銅和中性pH值的幫助下，氧氣被困在晶體細胞的PPO2晶體結構中 。當碳酸酐酶（CAH2）降低細胞内pH值時，PPO2晶體可以溶解，然後在細胞内重新組裝成晶體，并附着于氣管 。缺乏晶體細胞或PPO2，或表達銅結合突變體PPO2的幼蟲，在常氧條件下會表現出低氧反應，并且易受低氧影響 。這些低氧表型可以通過高氧、表達節肢動物血藍蛋白（haemocyanin）或防止幼蟲打洞活動以暴露其呼吸器官來恢複 。通過統計分析，研究團隊确認了晶體細胞在維持氧氣平衡中的關鍵作用 。在常氧條件下，缺乏晶體細胞的幼蟲表現出顯著的低氧反應，包括減少的存活率和延遲的發育時間 。當将這些幼蟲暴露于高氧環境或重新引入PPO2蛋白時，這些低氧表型得到了顯著改善 。此外，研究還發現晶體細胞中的PPO2蛋白能夠在氧氣濃度變化時動态調節其晶體結構，以适應不同的氧氣需求 。
該研究首次揭示了果蠅晶體細胞在氧氣運輸中的重要功能，打破了昆蟲呼吸系統完全依賴氣管系統的傳統認知 。晶體細胞通過PPO2蛋白的相分離和轉化，直接參與氧氣的擷取和運輸，確定動物在低氧環境中的生存和發育 。這一發現不僅豐富了我們對昆蟲生理學的了解，也為研究其他動物的呼吸機制提供了新的視角 。研究還表明，晶體細胞在不同氧氣條件下能夠調節其内部PPO2蛋白的狀态，以維持氧氣平衡 。這意味着晶體細胞不僅在正常呼吸過程中發揮作用，還在應對環境氧氣變化時具有重要的适應性功能 。此外，研究還指出，其他免疫細胞類型，如漿細胞（plasmatocytes），雖然在低氧條件下也會發生轉移，但主要是晶體細胞在氧氣調節中的關鍵角色 。
晶體細胞在果蠅呼吸系統中的新角色為了解動物氧氣運輸機制提供了重要的參考 。未來的研究可以進一步探讨其他免疫細胞在呼吸控制中的潛在作用，以及如何利用這些發現來改善人類健康和疾病治療 。該研究不僅揭示了昆蟲在氧氣調節中的複雜機制，還為開發新的生物醫學幹預政策提供了啟示。
參考文獻
Shin M, Chang E, Lee D, Kim N, Cho B, Cha N, Koranteng F, Song JJ, Shim J. Drosophila immune cells transport oxygen through PPO2 protein phase transition. Nature. 2024 Jun 26. doi: 10.1038/s41586-024-07583-x. Epub ahead of print. PMID: 38926577.
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07583-x
責編|探索君
排版|探索君
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