长春应化所合作揭示细菌源环肽调控线虫发育与繁殖的新功能

近日，中国科学院长春应用化学研究所化学前沿交叉实验室王晓辉研究团队与复旦大学等单位合作，发现一种来源于昆虫病原线虫共生细菌的达罗巴汀样肽天然产物aphotorhaptin A，并揭示其能够在低纳摩尔浓度下调控线虫发育、繁殖和寿命。相关研究成果以“An N-Acetylated Daropeptide Modulates Nematode Development”为题，发表于《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS）。

发光杆菌属（Photorhabdus）细菌与昆虫病原线虫Heterorhabditis形成专性共生关系，并共同侵染昆虫宿主。在这一复杂的“细菌-线虫-昆虫”三方生态系统中，细菌产生的天然小分子不仅参与抑制竞争微生物和昆虫免疫，也可能作为跨物种化学信号调控共生线虫的生理活动。然而，目前已知的相关信号分子仍然十分有限。合作团队从Photorhabdus asymbiotica中发现了aphotorhaptin A。该分子属于核糖体合成与翻译后修饰肽，具有芳香氨基酸之间的醚键交联和N端乙酰化修饰。研究表明，N端乙酰化能够提高六肽骨架的代谢稳定性；相关乙酰转移酶PasC具有较宽的底物适应性，可接受不同酰基供体和多种肽底物，为肽类天然产物的酶促改造提供了新的工具。与具有抗菌作用的达罗巴汀不同，aphotorhaptin A在所测试条件下未表现出明显的抗菌活性，提示其可能承担不同的生态功能。

为明确该分子的生物学功能，利用模式动物秀丽隐杆线虫建立同步化发育评价体系。结果显示，30 nM aphotorhaptin A即可显著促进线虫由L3期向L4期转变。在给药48小时后，完成L3-L4发育转换的线虫比例较对照组提高约29%；当给药浓度增加至150 nM时，该比例提高约40%，表明aphotorhaptin A在低纳摩尔浓度下即具有明显的生物活性。进一步的结构—活性比较发现，未乙酰化的五肽、未进行N端修饰的六肽中间体、未形成醚键交联的线性肽以及携带较长己酰基的衍生物均未表现出相同作用。这说明，N端乙酰基和醚键交联共同构成了aphotorhaptin A调控线虫发育所必需的结构基础。

除促进幼虫发育外，aphotorhaptin A还显著改变了线虫的生殖和寿命表型。研究人员在限定的早期生殖窗口内进行胚胎计数，发现30 nM aphotorhaptin A使线虫前36小时的胚胎产生量提高约60%，提示该分子能够促进线虫早期繁殖。与此同时，aphotorhaptin A使线虫平均寿命缩短约2.2天。发育加快、早期繁殖增加与寿命缩短同时出现，提示该分子可能改变线虫在生长、繁殖和长期生存之间的资源分配。这种表型具有潜在的生态学意义。对于与细菌共生的昆虫病原线虫而言，在昆虫宿主体内快速完成发育和繁殖，可能有利于其扩大种群并进入下一轮侵染周期。因此，aphotorhaptin A可能不是传统意义上的毒素或抗生素，而是一类由共生细菌产生、用于调节线虫生命进程的跨界化学信号。

DAF-16是秀丽隐杆线虫中调控发育、代谢、应激反应和寿命的重要转录因子，也是胰岛素/胰岛素样生长因子信号通路的核心节点。研究团队发现，在野生型线虫中，aphotorhaptin A能够明显促进L3-L4期发育；而在daf-16突变线虫中，该促进作用完全消失。这一结果表明，aphotorhaptin A对线虫发育的调控依赖DAF-16相关信号通路。由于DAF-16及其相关调控网络在线虫物种间具有较高保守性，这一结果为理解aphotorhaptin A在天然“发光杆菌—昆虫病原线虫”共生体系中的作用提供了机制线索。其直接分子靶点以及是否通过代谢、营养感知或应激信号调节DAF-16，仍需进一步研究。

图1 Aphotorhaptin A (化合物2)及其生物合成中间体的线虫活性与DAF-16依赖性作用机制

该研究揭示，细菌来源的核糖体肽天然产物除具有抗菌活性外，还可以作为跨物种信号分子，直接调控动物的发育、繁殖和寿命。Aphotorhaptin A将细菌天然产物生物合成与线虫生命史调节联系起来，拓展了人们对核糖体合成与翻译后修饰肽生物学功能的认识，也为研究微生物—动物共生体系中的化学通讯提供了新的分子范例。

秀丽隐杆线虫具有生命周期短、遗传背景清晰、突变体资源丰富以及发育、行为、繁殖和寿命表型易于定量等优势，是开展药物作用机制研究和表型药物筛选的重要模式动物。近年来，王晓辉研究员团队建立了较为系统的秀丽隐杆线虫研究平台，形成了涵盖同步化培养、发育与繁殖分析、寿命和健康寿命评价、运动及神经行为检测、疾病模型构建和遗传机制验证等技术体系。依托该平台，十余相关成果发表于Advanced Science、Journal of Hazardous Materials、FASEB Journal等期刊。此次研究进一步体现了模式动物秀丽隐杆线虫在跨物种化学信号研究中的独特价值。

江西师范大学/复旦大学马溯泽和长春应化所李儒为论文共同第一作者。王晓辉研究团队参与研究设计，负责秀丽隐杆线虫发育、繁殖、寿命及DAF-16遗传机制研究。