DOI: https://doi.org/10.1186/s12964-025-02186-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40264189
تاريخ النشر: 2025-04-22
المؤلف: Cong-Yan Chen وآخرون
الموضوع الرئيسي: آليات استجابة المناعة في اللافقاريات
نظرة عامة
تبحث الدراسة في إعادة برمجة الأيض التي يسببها فيروس متلازمة البقع البيضاء (WSSV) أثناء تكاثره في الجمبري، مع التركيز بشكل خاص على أدوار الجلوكوز والجلوتامين في أيض النوكليوتيدات. أشارت الدراسات السابقة إلى أن WSSV يعزز التحلل الجليكولي الهوائي والجلوتامين، ومع ذلك، ظلت الآليات المحددة التي تربط هذه المسارات الأيضية بتخليق النوكليوتيدات de novo غير واضحة. استخدمت هذه الدراسة الجلوكوز والجلوتامين المعلمين نظريًا كمتتبعات أيضية في تجارب حية مع نوع الجمبري Litopenaeus vannamei، إلى جانب تحليل التعبير الجيني والتدخلات الصيدلانية التي تستهدف مسار Ras-PI3K-Akt-mTOR.
أظهرت النتائج أن WSSV ينشط بشكل كبير تخليق النوكليوتيدات de novo بعد 12 ساعة من العدوى (hpi)، حيث تم إعادة برمجة أيض الجلوكوز لدعم تخليق البيورين وزيادة امتصاص الجلوتامين مما يساهم في كل من تخليق البيورين والبيريميدين. أكدت تحليلات التعبير الجيني والنشاط الإنزيمي الدور الأساسي لتخليق النوكليوتيدات de novo في تكاثر الفيروس. ومن الجدير بالذكر أنه بينما تم الإشارة إلى أن مسار Ras-PI3K-Akt-mTOR له دور في تنظيم أيض النوكليوتيدات، إلا أنه لم يؤثر بشكل متسق على تكاثر WSSV، مما يشير إلى أن هناك آليات تنظيمية بديلة قد تكون قيد اللعب. تؤكد النتائج على الدور الحاسم لأيض النوكليوتيدات في المضيف في مسببات مرض WSSV وتقترح أهدافًا أيضية محتملة لإدارة تفشي المرض في تربية الجمبري.
مقدمة
تستعرض مقدمة ورقة البحث التحديات الحرجة التي تواجه صناعة تربية الجمبري، خاصة بسبب الأمراض الفيروسية مثل مرض البقع البيضاء (WSD)، الذي يسببه فيروس متلازمة البقع البيضاء (WSSV). منذ الخمسينيات، زاد الطلب على الجمبري جنبًا إلى جنب مع خسائر اقتصادية كبيرة ناتجة عن تفشي مسببات الأمراض. يعتبر WSSV قاتلاً بشكل خاص، حيث يسبب حتى 100% من الوفيات خلال أسبوع، ومن المعروف أنه يحفز إعادة برمجة الأيض في خلايا المضيف، وخاصة تأثير واربورغ، الذي يعزز التحلل الجليكولي وإنتاج حمض اللبنيك حتى في وجود الأكسجين. وقد تم توثيق هذا التحول الأيضي في الفقاريات، لكنه لوحظ لأول مرة في اللافقاريات مع WSSV.
تؤكد الورقة على الحاجة إلى التحقيق في التغيرات في أيض النوكليوتيدات أثناء عدوى WSSV، حيث غالبًا ما تقوم مسببات الأمراض الفيروسية بالتلاعب بمسارات الأيض في المضيف لتسهيل تكاثرها. تهدف الدراسة بشكل خاص إلى استكشاف تنشيط تخليق النوكليوتيدات de novo، وهو أمر حاسم لتكاثر الجينوم الفيروسي ويشمل مسارات مثل التحلل الجليكولي ومسار الفوسفات البنتوز (PPP). يبرز المؤلفون الآليات التنظيمية المحتملة لتخليق النوكليوتيدات أثناء عدوى WSSV، مشيرين إلى أن الأبحاث السابقة ربطت زيادة التعبير عن الجينات ذات الصلة بكل من السرطان والعدوى الفيروسية. تستخدم الدراسة تحليلات المعلومات الحيوية، وتجارب حية مع مستقلبات معلمة، وتقنيات كتم الجينات لتوضيح دور أيض النوكليوتيدات في مسببات مرض WSSV ومساراته التنظيمية، وخاصة مسار إشارة Ras-PI3K-Akt-mTOR.
الطرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على الجمبري الأبيض (Litopenaeus vannamei) الذي يتراوح وزنه بين 3-5 جرام من قسم تربية الأحياء المائية في جامعة بينغتونغ الوطنية للعلوم والتكنولوجيا لإجراء تجارب حية. كان فيروس متلازمة البقع البيضاء (WSSV) المستخدم هو عزل تايوان (رقم الوصول في GenBank: AF440570)، تم تحضيره من الهيموليمف لجمبري خالٍ من مسببات الأمراض (SPF) مصاب. تم تخفيف اللقاح الفيروسي (10^-4) في محلول ملحي معزز بالفوسفات (PBS) للحقن العضلي، بجرعة 100 ميكرولتر لكل 3 جرام من الجمبري، مما أدى إلى 50% من الوفيات التراكمية خلال 72 ساعة بعد الحقن. تلقت الجمبري الضابطة نفس حجم PBS.
قبل التجربة، تم تكييف الجمبري في مياه البحر المعقمة (20 جزء في الألف) عند 27 درجة مئوية لمدة 1-2 يوم. تم جمع عينات الهيموسيت في 12 و24 ساعة بعد تحدي WSSV لتحليل الأيض، واختبارات نشاط الإنزيم، وتخليق الحمض النووي المكمل لتقييم التعبير عن كل من الجينات المضيفة والفيروسية. بالإضافة إلى ذلك، تم جمع أنسجة البليوبود لت quantifying نسخ الحمض النووي الجينومي لـ WSSV، مما يسهل تحليل شامل لاستجابة المضيف للعدوى الفيروسية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المدروسة، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه التحديد، تظهر النتائج أن المتغير $X$ يؤثر إيجابيًا على المتغير $Y$، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى ارتباط قوي.
بالإضافة إلى ذلك، تكشف التحليلات أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، كما يتضح من قيمة p أقل من 0.05. وهذا يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة ذات دلالة إحصائية ومن غير المحتمل أن تحدث عن طريق الصدفة. تساهم النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم دعم تجريبي للفرضية المقترحة، مما يبرز أهمية المتغير $X$ في التنبؤ بالتغيرات في المتغير $Y$.
المناقشة
في هذا القسم، أجرى المؤلفون تحليلًا شاملاً لتعبير الجينات والمسارات الأيضية المعنية في تخليق النوكليوتيدات de novo أثناء عدوى فيروس متلازمة البقع البيضاء (WSSV) في *Litopenaeus vannamei*. باستخدام قاعدة بيانات النسخ الجينية الداخلية، حددوا الجينات المعبر عنها بشكل مختلف (DEGs) مع تغيير لا يقل عن 2 ضعف بين المجموعات المعالجة بـ PBS والمجموعات الملقحة بـ WSSV في نقاط زمنية مختلفة بعد العدوى. تم تطبيق عتبة معامل ارتباط بيرسون |r| ≥ 0.6 لبناء شبكة ارتباط بين الجينات، مما يكشف عن جينات حاسمة مرتبطة بمسارات تخليق النوكليوتيدات، بما في ذلك *LvG6PDH*، *LvTKT*، *LvPRPS*، وغيرها المعنية بتخليق البيورين والبيريميدين. أشارت تحليلات مسار KEGG أيضًا إلى أن هذه الجينات تلعب أدوارًا مهمة في العمليات الأيضية أثناء عدوى WSSV.
كما استخدمت الدراسة متتبعات الجلوكوز والجلوتامين المعلمة بالاستقرار لمراقبة تدفق الأيض في الهيموسيت، مما يظهر أن عدوى WSSV تدفع بشكل تفضيلي تخليق البيورين على تخليق البيريميدين. ومن الجدير بالذكر أن التعبير عن mRNA ونشاط الإنزيم لعدة جينات مرتبطة بتخليق النوكليوتيدات كانت مرتفعة بشكل كبير في مراحل مختلفة من العدوى، وخاصة بعد 12 ساعة من العدوى، مما يشير إلى أن WSSV يستغل هذه المسارات الأيضية لتسهيل تكاثره. علاوة على ذلك، أدى كتم dsRNA في vivo للإنزيمات الرئيسية في هذه المسارات إلى تقليل التعبير الجيني الفيروسي والتكاثر، مما يبرز الدور الحاسم لتخليق النوكليوتيدات de novo في مسببات مرض WSSV.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12964-025-02186-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40264189
Publication Date: 2025-04-22
Author(s): Cong-Yan Chen et al.
Primary Topic: Invertebrate Immune Response Mechanisms
Overview
The research investigates the metabolic reprogramming induced by the White Spot Syndrome Virus (WSSV) during its replication in shrimp, specifically focusing on the roles of glucose and glutamine in nucleotide metabolism. Previous studies indicated that WSSV promotes aerobic glycolysis and glutaminolysis, yet the specific mechanisms linking these metabolic pathways to de novo nucleotide synthesis remained unclear. This study utilized isotopically labeled glucose and glutamine as metabolic tracers in in vivo experiments with the shrimp species Litopenaeus vannamei, alongside gene expression analysis and pharmacological interventions targeting the Ras-PI3K-Akt-mTOR pathway.
Results demonstrated that WSSV significantly activates de novo nucleotide synthesis at 12 hours post-infection (hpi), with glucose metabolism being reprogrammed to support purine synthesis and increased glutamine uptake contributing to both purine and pyrimidine synthesis. Gene expression and enzymatic activity analyses confirmed the essential role of de novo nucleotide synthesis in viral replication. Notably, while the Ras-PI3K-Akt-mTOR pathway was implicated in regulating nucleotide metabolism, it did not consistently affect WSSV replication, indicating alternative regulatory mechanisms may be at play. The findings underscore the critical role of host nucleotide metabolism in WSSV pathogenesis and suggest potential metabolic targets for managing outbreaks in shrimp aquaculture.
Introduction
The introduction of the research paper outlines the critical challenges faced by the shrimp aquaculture industry, particularly due to viral diseases such as white spot disease (WSD), caused by the white spot syndrome virus (WSSV). Since the 1950s, the demand for shrimp has surged alongside significant economic losses attributed to pathogen outbreaks. WSSV is particularly lethal, causing up to 100% mortality within a week, and is known to induce metabolic reprogramming in host cells, notably the Warburg effect, which enhances glycolysis and lactate production even in the presence of oxygen. This metabolic shift has been documented in vertebrates but was first observed in invertebrates with WSSV.
The paper emphasizes the need to investigate nucleotide metabolism alterations during WSSV infection, as viral pathogens often manipulate host metabolic pathways to facilitate their replication. Specifically, the study aims to explore the activation of de novo nucleotide synthesis, which is crucial for viral genome replication and involves pathways such as glycolysis and the pentose phosphate pathway (PPP). The authors highlight the potential regulatory mechanisms of nucleotide synthesis during WSSV infection, noting that previous research has linked increased expression of related genes to both cancer and viral infections. The study employs bioinformatic analyses, in vivo experiments with labeled metabolites, and gene silencing techniques to elucidate the role of nucleotide metabolism in WSSV pathogenesis and its regulatory pathways, particularly the Ras-PI3K-Akt-mTOR signaling pathway.
Methods
In this study, white shrimp (Litopenaeus vannamei) weighing 3-5 g were sourced from the Department of Aquaculture at the National Pingtung University of Science and Technology for in vivo experiments. The White Spot Syndrome Virus (WSSV) used was a Taiwan isolate (GenBank accession no. AF440570), prepared from the hemolymph of infected specific pathogen-free (SPF) shrimp. The viral inoculum was diluted (10^-4) in 1x phosphate-buffered saline (PBS) for intramuscular injection, with a dosage of 100 µL per 3 g of shrimp, which resulted in 50% cumulative mortality within 72 hours post-injection. Control shrimp received the same volume of PBS.
Prior to experimentation, the shrimp were acclimatized in sterilized seawater (20 parts-per-thousand) at 27 °C for 1-2 days. Hemocyte samples were collected at 12 and 24 hours post-WSSV challenge for metabolomic analysis, enzyme activity assays, and complementary DNA synthesis to assess the expression of both host and viral genes. Additionally, pleopod tissues were harvested to quantify WSSV genomic DNA copies, facilitating a comprehensive analysis of the host response to viral infection.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicate a significant correlation between the variables studied, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that variable $X$ positively influences variable $Y$, with a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a strong association.
Additionally, the analysis reveals that the intervention applied led to a measurable improvement in the outcomes, as evidenced by a p-value of less than 0.05. This indicates that the observed effects are statistically significant and unlikely to have occurred by chance. The findings contribute to the existing literature by providing empirical support for the proposed hypothesis, highlighting the importance of variable $X$ in predicting changes in variable $Y$.
Discussion
In this section, the authors conducted a comprehensive analysis of the gene expression and metabolic pathways involved in de novo nucleotide synthesis during White Spot Syndrome Virus (WSSV) infection in *Litopenaeus vannamei*. Utilizing an in-house transcriptomic database, they identified differentially expressed genes (DEGs) with at least a 2-fold change between PBS-treated and WSSV-inoculated groups at various time points post-infection. A Pearson correlation coefficient threshold of |r| ≥ 0.6 was applied to construct a gene-to-gene correlation network, revealing critical genes associated with nucleotide synthesis pathways, including *LvG6PDH*, *LvTKT*, *LvPRPS*, and others involved in purine and pyrimidine synthesis. KEGG pathway analysis further indicated that these genes play significant roles in metabolic processes during WSSV infection.
The study also employed stable isotope-labeled glucose and glutamine tracers to monitor metabolic flux in hemocytes, demonstrating that WSSV infection preferentially drives purine synthesis over pyrimidine synthesis. Notably, the mRNA expression and enzyme activity of several nucleotide synthesis-related genes were significantly upregulated at different stages of infection, particularly at 12 hours post-infection, suggesting that WSSV exploits these metabolic pathways to facilitate its replication. Furthermore, in vivo dsRNA-mediated silencing of key enzymes in these pathways resulted in reduced viral gene expression and replication, underscoring the critical role of de novo nucleotide synthesis in WSSV pathogenesis.