果蝇（Drosophila）的呼吸系统长期以来被认为完全依赖于复杂的气管系统，不需要循环系统或免疫细胞的协助。然而，6月26日Nature的报道“Drosophila immune cells transport oxygen through PPO2 protein phase transition”，揭示了果蝇晶体细胞（crystal cells），一种类似于髓样细胞的免疫细胞，能够通过氧化前酚氧化酶2（Prophenoloxidase 2, PPO2）蛋白来控制呼吸。晶体细胞在幼虫体壁的气管和循环系统之间移动，以收集氧气。在铜和中性pH值的帮助下，氧气被困在晶体细胞的PPO2晶体结构中。当碳酸酐酶降低细胞内pH值时，PPO2晶体可以溶解，然后在细胞内重新组装成晶体，并附着于气管。生理上，缺乏晶体细胞或PPO2，或表达铜结合突变体PPO2的幼虫，在常氧条件下会表现出低氧反应，并且易受低氧影响。这些低氧表型可以通过高氧、表达节肢动物血蓝蛋白（haemocyanin）或防止幼虫打洞活动以暴露其呼吸器官来恢复。因此，研究人员提出，昆虫免疫细胞通过PPO2晶体的相变与气管系统协同工作，储存和运输氧气，从而在类似于脊椎动物呼吸的过程中，促进内部氧气的平衡。
氧气是生命必需的分子，运输氧气的能力是动物进化的关键驱动力。因此，许多结合氧气的蛋白质和高效气体交换的机制在动物王国中进化。在大多数脊椎动物中，氧气主要通过血红蛋白（haemoglobin）结合，并在红细胞中运输，这些红细胞通过封闭的循环系统循环，通过Bohr效应和氧分压差释放或保持氧气。一些无脊椎动物，如软体动物和一些节肢动物亚门，拥有血蓝蛋白，这是一种在血淋巴中自由循环的氧气载体蛋白，用于对流氧气输送，而不需要特定的免疫细胞类型的协助。在昆虫中，过去认为密集协调的气管系统足以进行气体交换，而专门用于呼吸的免疫细胞或呼吸蛋白是不必要的。
该研究通过描述晶体细胞在应对氧气变化时，通过PPO2蛋白的相分离和转化直接参与氧气运输和获取，确保动物的生长和存活，从而解决了昆虫免疫细胞是否与呼吸控制相关的关键问题。
氧气是生命必需的分子，动物在进化过程中发展出多种机制来高效地获取和运输氧气。在脊椎动物中，氧气主要通过血红蛋白（haemoglobin）运输。然而，昆虫的气体交换系统过去一直被认为完全依赖于复杂的气管系统，无需循环系统或免疫细胞的协助。该研究揭示了果蝇晶体细胞（crystal cells）在氧气控制中的新角色，通过氧化前酚氧化酶2（Prophenoloxidase 2, PPO2）蛋白来储存和运输氧气。
果蝇（Drosophila）作为模式生物，在遗传学和发育生物学研究中具有重要地位。其独特的气管系统能够高效地进行气体交换，以满足其代谢需求。然而，果蝇幼虫在发育过程中会钻洞觅食，这可能会暴露于低氧环境中。为了应对这种挑战，果蝇进化出了晶体细胞，通过PPO2蛋白的晶体结构来储存和运输氧气，从而维持内部氧气平衡。
研究团队利用多种遗传和生化手段来探究晶体细胞在氧气控制中的作用。首先，他们使用了多种果蝇品系，包括缺乏晶体细胞或PPO2的突变体，并通过改变环境氧气浓度来观察其对幼虫发育和存活的影响。此外，研究人员还使用了荧光标记和显微成像技术来观察晶体细胞中PPO2蛋白的动态变化。例如，他们通过在果蝇幼虫体内引入PPO2-eGFP融合蛋白，实时观察PPO2从晶体到细胞质之间的转变过程 。
在实验设计方面，研究人员使用了多种果蝇品系，包括HmlΔ-Gal4、lz-LexA等，并通过引入特定的基因敲降或过表达来研究晶体细胞和PPO2的功能 。他们还采用了不同的氧气条件，如常氧（21% O2）、低氧（5% O2）和高氧（60% O2），来观察不同氧气浓度对晶体细胞和PPO2功能的影响 。
晶体细胞（crystal cells）如何控制内部氧气平衡，以及环境氧气浓度如何决定血细胞（haemocytes）的定位（Credit: Nature）
晶体细胞对幼虫存活的重要性：图a显示了在常氧条件下（21% O2），对照组幼虫和缺乏晶体细胞的突变体幼虫的存活率。结果显示，缺乏晶体细胞的突变体幼虫存活率显著降低。图c进一步展示了在高氧条件下（60% O2），缺乏晶体细胞的突变体幼虫的存活率恢复到与对照组相似的水平，表明高氧可以部分补偿缺乏晶体细胞导致的低氧表型。
晶体细胞缺乏对气管结构的影响：图b显示了在常氧条件下，缺乏晶体细胞的突变体幼虫气管末端分支（TTBs）的数量显著增加。这种现象在低氧条件下（5% O2）也得到了观察，而在高氧条件下则得到了恢复。
食物深度对幼虫低氧表型的影响：图d和图e显示了将食物深度从15毫米减少到3毫米后，缺乏晶体细胞的突变体幼虫的存活率和气管末端分支数量得到了显著改善。这表明浅层食物可以缓解幼虫的低氧应激，帮助其维持氧气平衡。
环境氧气浓度对血细胞定位的影响：图f和图g展示了在不同氧气浓度下，血细胞在血淋巴（haemolymph）中的循环和在造血口袋（haematopoietic pocket）中的定位。结果表明，在低氧条件下，大多数血细胞从循环系统中撤出，聚集在造血口袋中；相反，在高氧条件下，循环系统中的血细胞数量显著增加，而造血口袋中的血细胞数量减少。
研究发现，晶体细胞能够在幼虫体壁的气管和循环系统之间移动，以收集氧气。在铜和中性pH值的帮助下，氧气被困在晶体细胞的PPO2晶体结构中 。当碳酸酐酶（CAH2）降低细胞内pH值时，PPO2晶体可以溶解，然后在细胞内重新组装成晶体，并附着于气管 。缺乏晶体细胞或PPO2，或表达铜结合突变体PPO2的幼虫，在常氧条件下会表现出低氧反应，并且易受低氧影响 。这些低氧表型可以通过高氧、表达节肢动物血蓝蛋白（haemocyanin）或防止幼虫打洞活动以暴露其呼吸器官来恢复 。
通过统计分析，研究团队确认了晶体细胞在维持氧气平衡中的关键作用 。在常氧条件下，缺乏晶体细胞的幼虫表现出显著的低氧反应，包括减少的存活率和延迟的发育时间 。当将这些幼虫暴露于高氧环境或重新引入PPO2蛋白时，这些低氧表型得到了显著改善 。此外，研究还发现晶体细胞中的PPO2蛋白能够在氧气浓度变化时动态调节其晶体结构，以适应不同的氧气需求 。
该研究首次揭示了果蝇晶体细胞在氧气运输中的重要功能，打破了昆虫呼吸系统完全依赖气管系统的传统认知 。晶体细胞通过PPO2蛋白的相分离和转化，直接参与氧气的获取和运输，确保动物在低氧环境中的生存和发育 。这一发现不仅丰富了我们对昆虫生理学的理解，也为研究其他动物的呼吸机制提供了新的视角 。
研究还表明，晶体细胞在不同氧气条件下能够调节其内部PPO2蛋白的状态，以维持氧气平衡 。这意味着晶体细胞不仅在正常呼吸过程中发挥作用，还在应对环境氧气变化时具有重要的适应性功能 。此外，研究还指出，其他免疫细胞类型，如浆细胞（plasmatocytes），虽然在低氧条件下也会发生转移，但主要是晶体细胞在氧气调节中的关键角色 。
晶体细胞在果蝇呼吸系统中的新角色为理解动物氧气运输机制提供了重要的参考 。未来的研究可以进一步探讨其他免疫细胞在呼吸控制中的潜在作用，以及如何利用这些发现来改善人类健康和疾病治疗 。该研究不仅揭示了昆虫在氧气调节中的复杂机制，还为开发新的生物医学干预策略提供了启示。
参考文献
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
