2024年6月26日，汉阳大学Jiwon Shim通讯在Nature发表题为Drosophila immune cells transport oxygen through PPO2 protein phase transition的文章，揭示了果蝇免疫细胞在氧气运输中的新作用，揭示了免疫和呼吸之间复杂的相互作用，发现了果蝇的晶体细胞（crystal cell，一种髓样免疫细胞）通过前烯醇氧化酶2（prophenoloxidase 2, PPO2）蛋白的相变调节呼吸的关键作用。
这项研究首先解决缺乏crystal cell的幼虫全身缺氧的问题。众所周知，昆虫严重依赖气管系统进行气体交换，循环系统或免疫细胞几乎没有贡献。然而，作者发现晶体细胞在氧气运输中起着关键作用。这些细胞引导血细胞在气管和循环之间移动以收集氧气，然后将氧气捕获在crystal cell内PPO2的晶体结构中。Crystal cell或PPO2的缺失，或PPO2铜结合突变体的表达，导致了在常氧条件下的缺氧反应，突出了这些细胞在维持氧稳态中的重要性。
对环境氧气水平对果蝇血细胞行为的影响的进一步研究表明，氧气浓度塑造了血细胞的生态位。在常氧条件下，血细胞保持恒定数量，其中一些在血淋巴中循环，另一些则在造血袋中。缺氧会触发血细胞从循环中撤回到造血袋，而高氧会增加循环血细胞的数量。这种动态反应与细胞死亡、增殖或造血的变化无关，这表明血细胞的行为直接受氧气水平的调节。作者发现气管是驱动血细胞移位的关键因素。外周神经系统（PNS）的感觉神经元激活激活素-β（Actβ）-dMad2通路，该通路介导常驻血细胞的营养微环境。然而，在环境氧气水平变化期间，气管在血细胞粘附中起着决定性作用。在造血袋内的气管中产生的过氧化氢（H2O2）诱导血细胞和气管之间的相互作用，与PNS神经元介导的发育粘附无关。
Crystal cell在控制血细胞运动方面处于中心地位。研究发现，crystal cell而不是浆细胞对自身和浆细胞向造血袋的运动和内部氧气稳态至关重要。包括PPO2、碳酸酐酶2（CAH2）和铜离子调节剂在内的几个基因的crystal cell特异性下调阻碍了缺氧后血细胞向造血袋的迁移。这强调了crystal cell在协调血细胞动力学以响应不同的氧气供应方面的重要作用。氧被证明是在纤维素晶体中建立PPO2的关键因素。研究表明，氧气的可利用性可能来自气管，对晶体细胞内PPO2晶体的产生至关重要。PPO2蛋白含有一个结合氧的铜血红素结合结构域，其吸收光谱在340nm处显示峰值，这是氧结合双铜中心的特征。氧、中性pH和铜的存在都是在crystal cell内形成PPO2晶体所必需的。
作者进一步阐明了PPO2的相变及其在氧化中的作用。缺氧引发PPO2晶体比例的降低，同时伴有胞浆pH的降低和CAH2 mRNA水平的增加。PPO2晶体溶解成其胞浆形式有助于crystal cell细胞转移到造血袋，在那里它们可以被复氧和再结晶。PPO2的这种动态相变充当氧气库，有助于动物呼吸和维持氧气稳态。PPO2被证明支持内部O2稳态。研究发现，在常氧条件下，crystal cell中携带PPO2 RNAi的PPO2Δ突变体和幼虫表现出更高数量的气管末端分支，这种表型不会因缺氧而加剧。高氧条件挽救了PPO2Δ突变体幼虫气管末端分支表型的增加，使分支数量恢复到野生型水平。这些发现表明，crystal cell中的PPO2在促进组织氧合和维持内部氧稳态方面起着至关重要的作用。
最后，作者探讨了crystal cell介导的幼虫呼吸。观察到只有61%的PPO2Δ突变体存活到三龄，这相当于在常氧条件下培养的lzr15突变体幼虫的存活率。当在缺氧条件下培养时，PPO2Δ突变体幼虫的存活率进一步降低到33%，这表明PPO2在crystal cell中对动物在所有条件下的生存起着关键作用。美洲鲎（Atlantic horseshoe crab）血蓝蛋白在crystal cell中的表达有效地恢复了PPO2的呼吸功能，强调了这种机制在呼吸中的进化保守性和意义。
总之，这项研究为果蝇免疫细胞，特别是crystal cell，通过PPO2的相变在昆虫呼吸中的关键作用提供了令人信服的证据。它为免疫细胞的多功能性质及其对免疫以外的基本生理过程的贡献提供了一个新的视角。这些发现不仅加深了我们对昆虫生理学的理解，而且为探索动物呼吸免疫细胞的进化起源开辟了新的途径。
