家蝇Pirk基因缺失导致免疫持续激活驱动生命史与免疫权衡的资源重分配机制研究

本研究针对免疫激活如何影响宿主能量代谢与生命史特征这一关键科学问题，以家蝇(Musca domestica)为模型，通过CRISPR/Cas9构建pirk基因敲除突变体，揭示了Pirk作为免疫缺陷(Imd)通路负反馈调节因子在平衡免疫防御与生长发育中的核心作用。研究发现pirk缺失导致抗菌肽(AMPs)持续高表达，虽增强抗感染能力，但引发糖酵解(EMP)和三羧酸循环(TCA)代谢重编程，造成幼虫生长迟滞、成虫繁殖力下降等适应性代价，为理解免疫代谢调控的进化权衡提供了新视角。

　　

在自然界中，生物体始终面临病原体侵袭与资源分配的进化难题。昆虫作为无脊椎动物的代表，其先天免疫系统虽能有效抵御感染，但过度免疫激活可能导致能量"入不敷出"——这种现象被生态免疫学称为"免疫代价"。然而，这种代价究竟源于病原体直接掠夺还是免疫系统自身耗能，始终缺乏精准的实验模型。河北大学生命科学学院的研究团队独辟蹊径，以与人类生活环境密切相关的家蝇为研究对象，通过基因编辑技术揭示了Pirk蛋白在调控这一精妙平衡中的分子开关作用，相关成果发表于《BMC Biology》。

研究主要采用四种关键技术：1) CRISPR/Cas9基因编辑构建pirk-KO家蝇突变体；2) 呼吸代谢测量系统(SSI)定量CO₂产出；3) 高通量RNA-seq解析转录组差异；4) HPLC检测糖代谢物含量。通过建立无菌饲养体系，有效排除了病原体干扰，首次在无感染条件下证实了单纯免疫激活的生理代价。

pirk基因鉴定与表达特征
系统发育分析发现Pirk在147种昆虫中保守存在，家蝇Pirk与果蝇同源蛋白仅26.86%相似性。时空表达谱显示其在肠道和脂肪体高表达，经革兰氏阴性菌(E. coli)和阳性菌(S. aureus)刺激后分别于60h和24h达峰，暗示其广谱免疫调节潜能。

突变体构建与表型分析
通过142bp靶向缺失获得pirk-KO品系。突变体呈现典型免疫过度激活表型：幼虫抗菌蛋白提取物对B. subtilis等四类细菌的抑菌圈扩大40%，qPCR显示cecropin等AMPs持续上调。值得注意的是，这种免疫优势伴随显著生理代价：幼虫体重减轻14.31%，成虫寿命缩短25.92%，雌蝇产卵量下降55.32%。

代谢重编程机制
转录组分析揭示pirk-KO中Imd通路基因relish显著上调，伴随糖酵解关键酶HK、PFK和TCA循环酶CS、IDH表达增强，但磷酸戊糖途径(Pentose Phosphate Pathway, PPP)的PGLS、PGD等酶表达受抑。代谢检测显示突变体血淋巴葡萄糖、海藻糖升高101.69%，但糖原储备减少，符合"能量挪用"假说。

通路功能验证
通过RNAi抑制relish表达，使pirk-KO幼虫体重恢复5.03%，产卵量提升5.70%，证实Imd通路过度激活是表型主因。呼吸代谢实验显示突变体CO₂排放量增加83.87%，为免疫耗能提供直接证据。

该研究首次在家蝇模型中证实：1) Pirk通过抑制Imd通路防止免疫系统"过激反应"；2) 免疫激活优先调动EMP-TCA轴产能，牺牲PPP介导的生物合成；3) 宿主通过增加摄食(101.69%)补偿能量缺口，但无法逆转生长繁殖的进化代价。这些发现为理解昆虫免疫代谢调控的进化策略提供了范式转换——在病原体压力下，生物体可能通过基因复制(pirk家族扩张)和代谢可塑性来优化防御效率，这种机制对害虫防控和免疫进化研究具有启示意义。