胞內(nèi)寄生菌與宿主細(xì)胞凋亡的相互作用分子機(jī)制研究

(南華大學(xué)衡陽醫(yī)學(xué)院病原生物學(xué)研究所 特殊病原體防控湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南省衡陽市 421001)

許多細(xì)菌感染能誘導(dǎo)宿主細(xì)胞發(fā)生凋亡，但也有些細(xì)菌感染能抑制細(xì)胞凋亡[1-3]。誘發(fā)或抑制細(xì)胞凋亡對細(xì)菌感染的結(jié)果起著關(guān)鍵作用，被感染細(xì)胞的死亡和細(xì)菌的清除可阻止炎癥的發(fā)生，而細(xì)菌為了生存與擴(kuò)散則抑制細(xì)胞凋亡，形成慢性感染。

少數(shù)病原菌主要在細(xì)胞內(nèi)寄生稱為胞內(nèi)菌，能夠引起人類疾病的胞內(nèi)菌主要有結(jié)核分枝桿菌(Mycobacterium tuberculosis)、單核細(xì)胞增生李斯特菌(Listeria monocytogenes)、布魯氏桿菌(Brucella)、沙門氏菌(Salmonellae)、軍團(tuán)菌(Legionella)、衣原體(Chlamyida)、立克次氏體(Rickettsia)等。它們多數(shù)為人獸共患病原菌，引起人獸共患病[4]。胞內(nèi)菌通過呼吸道、消化道、皮膚黏膜等不同途徑侵入機(jī)體，在與中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞相互作用中，其通過抑制細(xì)胞氧化殺傷與凋亡和規(guī)避自噬逃逸天然免疫機(jī)制，維持自身的生存與繁殖，并造成慢性感染。本述評重點(diǎn)介紹胞內(nèi)寄生菌與宿主細(xì)胞凋亡的相互作用的分子機(jī)制。

凋亡在病原菌與宿主細(xì)胞相互作用中扮演著重要角色，細(xì)菌感染細(xì)胞后可引起細(xì)胞凋亡的發(fā)生，進(jìn)而抑制其生長和增殖。而一些胞內(nèi)寄生菌則通過控制凋亡的信號通路，從而防止被胞內(nèi)抗菌物質(zhì)殺死，同時(shí)利用凋亡促進(jìn)自身在細(xì)胞間傳播[5]。細(xì)菌操縱細(xì)胞凋亡的機(jī)制十分復(fù)雜，全面系統(tǒng)的闡明胞內(nèi)寄生菌及其毒力因子改變宿主細(xì)胞凋亡通路的分子機(jī)制將有助于基礎(chǔ)研究者與臨床專家對病原菌與宿主細(xì)胞凋亡相互作用更深入的理解，為開發(fā)抗菌藥物提供新的理論基礎(chǔ)。

1 細(xì)胞凋亡發(fā)生的一般過程

人體每天進(jìn)行新陳代謝都可發(fā)生細(xì)胞死亡，同時(shí)機(jī)體也會產(chǎn)生100億～1 000億個(gè)細(xì)胞，以維持體內(nèi)的動(dòng)態(tài)平衡。在生理?xiàng)l件下，細(xì)胞主要是以細(xì)胞凋亡形式死亡，通常分別由含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-8(Caspase-8)或Caspase-9激活的外源性(死亡受體途徑)或內(nèi)源性(線粒體途徑)信號通路觸發(fā)，最后都匯集于下游，激活凋亡蛋白酶Casapse-3、Caspase-6和Caspase-7。這兩條通路相互關(guān)聯(lián)、共同調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡，最終導(dǎo)致凋亡細(xì)胞發(fā)生形態(tài)改變[6]。隨后，凋亡的細(xì)胞招募巨噬細(xì)胞，并向巨噬細(xì)胞發(fā)出“吃掉我”的信號，使其被巨噬細(xì)胞迅速吞噬并降解。機(jī)體的這種有效識別并清除凋亡細(xì)胞的過程稱之為胞葬作用[7]。由此可見，細(xì)胞凋亡是一個(gè)復(fù)雜的級聯(lián)調(diào)控過程，維護(hù)著機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定與正常生長發(fā)育。

2 細(xì)胞凋亡在抗感染免疫中的作用

細(xì)菌感染一般會促進(jìn)宿主細(xì)胞凋亡，這樣有利于直接清除感染的細(xì)胞與微生物，防止細(xì)胞內(nèi)病原體繁殖或擴(kuò)散到周圍組織和器官[8]。細(xì)胞凋亡不僅能夠清除體內(nèi)無用或受感染的細(xì)胞，還可以引發(fā)免疫反應(yīng)并協(xié)調(diào)適應(yīng)性免疫應(yīng)答，以對抗入侵的病原體。例如，受感染細(xì)胞中的凋亡小體含有微生物降解產(chǎn)物，如病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)，能夠觸發(fā)具有保護(hù)性的炎癥反應(yīng)[9]。此外，凋亡小體被樹突狀細(xì)胞攝取后，提高了抗原交叉遞呈的效率，從而誘導(dǎo)T細(xì)胞免疫應(yīng)答[10]。

一些細(xì)菌與大多數(shù)細(xì)菌不同，它們屬于兼性胞內(nèi)寄生菌或?qū)Ｐ园麅?nèi)寄生菌，只能在哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)生長，那么細(xì)胞凋亡必然會破壞胞內(nèi)寄生菌的增殖生態(tài)位。顯然，這種獨(dú)特的生存方式意味著胞內(nèi)寄生菌能夠?qū)λ拗骷?xì)胞凋亡產(chǎn)生影響。闡明其調(diào)控宿主細(xì)胞凋亡的分子機(jī)制對胞內(nèi)寄生菌的感染治療具有重要意義。

3 胞內(nèi)寄生菌調(diào)控宿主細(xì)胞凋亡

3.1 干擾細(xì)胞外信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

外源性凋亡途徑是由細(xì)胞膜死亡受體觸發(fā)的，如腫瘤壞死因子受體-1(tumor necrosis factor receptor-1，TNFR-1)和Fas受體(Fas receptor，F(xiàn)asR)。胞外菌主要激活細(xì)胞外信號來介導(dǎo)外源性細(xì)胞凋亡。然而，一些胞內(nèi)寄生菌也能夠干擾這一途徑。

鼠疫耶爾森氏菌的Pla蛋白酶(Plasminogen activator)通過降解凋亡信號分子Fas配體(Fas ligand，F(xiàn)asL)抑制Fas/FasL介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，從而抑制Caspase-3激活。Caspase-3的激活是宿主誘導(dǎo)產(chǎn)生炎性細(xì)胞因子的必要條件。因此，鼠疫耶爾森氏菌能夠抑制炎性細(xì)胞因子產(chǎn)生，進(jìn)而減少巨噬細(xì)胞的募集，促進(jìn)其在肺部傳播感染[11]。鼠傷寒沙門氏菌則是通過抑制另一種外源性凋亡途徑抑制細(xì)胞凋亡。鼠傷寒沙門氏菌Ⅲ型分泌系統(tǒng)效應(yīng)蛋白SseK(S.typhimurium secreted effector K，SseK)可以對抗死亡受體通路中的多種成分。在沙門氏菌感染過程中，SseK修飾細(xì)胞的腫瘤壞死因子受體相關(guān)死亡結(jié)構(gòu)域蛋白(TNF receptor-associated death domain protein，TRADD)、TNFR-1和腫瘤壞死因子相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體(TNF-related apoptosis-inducing ligand receptor，TRAILR)，從而阻斷TNF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，最終影響炎癥細(xì)胞因子的產(chǎn)生與細(xì)胞凋亡[12]。此外，沙眼衣原體進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，還能夠通過阻斷TNF受體胞質(zhì)內(nèi)的配體-受體復(fù)合物的內(nèi)化來抑制TNF的促凋亡信號[13]。然而，沙眼衣原體是通過哪些細(xì)菌毒力因子及其相關(guān)的分子機(jī)制來調(diào)控這一過程的尚需深入的探索。

3.2 干擾細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

病原體不僅進(jìn)化出干擾細(xì)胞外信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)制，而且還干擾細(xì)胞內(nèi)信號的傳遞。其中NF-κB轉(zhuǎn)錄因子是重要的多極性基因調(diào)控蛋白，參與炎癥、免疫和應(yīng)激反應(yīng)，并且可以根據(jù)啟動(dòng)凋亡的方式和持續(xù)時(shí)間不同，增加或減少促凋亡或抗凋亡蛋白的轉(zhuǎn)錄。研究發(fā)現(xiàn)，胞內(nèi)寄生菌通過表達(dá)或轉(zhuǎn)移效應(yīng)蛋白來控制宿主細(xì)胞信號通路調(diào)控宿主細(xì)胞凋亡。假結(jié)核耶爾森氏菌T3SS效應(yīng)蛋白YopJ阻斷NF-κB途徑激活，可以抑制天然免疫細(xì)胞產(chǎn)生TNF和其他炎癥性細(xì)胞因子，但同時(shí)也可導(dǎo)致細(xì)胞死亡[14]。結(jié)核分枝桿菌分泌的蛋白酪氨酸磷酸激(proteintyrosinekinase，PtpA)同樣抑制NF-κB信號通路[15]。相反，結(jié)核分枝桿菌分泌的早期分泌性抗原靶6(early secreted antigenic target of 6，ESAT-6)、Rv1808和Rv2185c等抗原卻有激活NF-κB信號通路的活性[16-18]。另外，一些胞內(nèi)菌(如衣原體、布魯氏菌、立克次氏體等)為了建立細(xì)胞內(nèi)生存環(huán)境，也進(jìn)化出多種調(diào)節(jié)宿主細(xì)胞效應(yīng)分子，抵抗宿主細(xì)胞的凋亡，形成慢性感染[19-22]。由此可見，病原體對細(xì)胞內(nèi)信號通路調(diào)節(jié)各有不同，這種現(xiàn)象是否因?yàn)楦腥倦A段或宿主細(xì)胞類型的不同而變化，仍有待進(jìn)一步深入研究。

一些胞內(nèi)寄生菌也編碼細(xì)菌毒力因子，遷移到宿主細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi)來調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。福氏志賀氏菌T3SS效應(yīng)蛋白OspF同樣能夠進(jìn)入宿主細(xì)胞，將細(xì)胞核內(nèi)絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPKs)去磷酸化，進(jìn)而導(dǎo)致促凋亡基因表達(dá)降低[23]。研究證實(shí)Ⅳ型分泌系統(tǒng)(type Ⅳ secretion system,T4SS)效應(yīng)蛋白AnkG和CaeA是貝納柯克斯體重要的毒力因子，具有抗凋亡活性和核易位功能，其被轉(zhuǎn)移到宿主細(xì)胞中，能夠遷移到宿主細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi)，以操縱宿主細(xì)胞的凋亡途徑[24-25]。然而，這些效應(yīng)蛋白是如何調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄過程，以及又是如何轉(zhuǎn)化到發(fā)揮抑制凋亡作用仍不清楚。

3.3 利用胞葬作用逃逸免疫系統(tǒng)

胞葬作用是凋亡細(xì)胞被吞噬細(xì)胞吞噬移除的過程，這一過程可以被胞內(nèi)寄生菌利用。例如，中性粒細(xì)胞屬于短壽命的固有免疫細(xì)胞，鼠疫耶爾森氏菌與肺炎衣原體被中性粒細(xì)胞吞噬后，不僅沒有被消滅，還能在細(xì)胞內(nèi)生存。當(dāng)細(xì)胞發(fā)生凋亡時(shí)，這些中性粒細(xì)胞被巨噬細(xì)胞吞噬，細(xì)菌反而利用胞葬作用找到了新的繁殖場所[26]。同樣，海洋分枝桿菌感染的巨噬細(xì)胞死亡后，被募集而來的巨噬細(xì)胞吞噬，而新感染的巨噬細(xì)胞可將細(xì)菌傳播到遠(yuǎn)端新生的肉芽腫[27]。胞葬作用能夠由受體介導(dǎo)，受體與細(xì)胞表面或細(xì)胞碎片上的磷脂酰絲氨酸(phosphatidylserine，PS)結(jié)合后引發(fā)吞噬。單核細(xì)胞增生李斯特菌感染細(xì)胞后，利用宿主細(xì)胞膜以出芽的方式將自己包裹在PS+的囊泡中，巨噬細(xì)胞通過表面PS結(jié)合受體TIM-4(由Timd4基因編碼)吞噬含有細(xì)菌的囊泡，從而介導(dǎo)了單核細(xì)胞增生李斯特菌在細(xì)胞間直接傳播[28]。胞內(nèi)寄生菌這種感染巨噬細(xì)胞的“特洛伊木馬”機(jī)制，既能減少宿主促炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生，又能使細(xì)菌得以逃逸先天性免疫系統(tǒng)，從而在人體宿主內(nèi)生長發(fā)育。

4 結(jié)語與展望

綜上所述，胞內(nèi)寄生菌為了在宿主細(xì)胞內(nèi)生存，進(jìn)化出多種干擾宿主細(xì)胞凋亡的機(jī)制。盡管病原菌操控宿主細(xì)胞以求生存的復(fù)雜機(jī)制有所不同，但主要表現(xiàn)為抑制細(xì)胞外死亡受體識別、干擾細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和利用胞葬作用來逃逸免疫系統(tǒng)并在細(xì)胞內(nèi)建立生態(tài)位生存繁殖。目前，在前人研究的基礎(chǔ)上，已經(jīng)充分的了解凋亡調(diào)節(jié)因子如Caspase、TNFR-1、Fas、NF-κB和MAPKs等分子的活性和調(diào)控作用。然而，胞內(nèi)寄生菌能夠長期在宿主細(xì)胞間傳播，這需要細(xì)菌持續(xù)感知宿主細(xì)胞的活性及其激活狀態(tài)，其確切的分子機(jī)制仍不清楚。此外，胞內(nèi)菌在細(xì)胞中調(diào)控細(xì)胞凋亡信號傳導(dǎo)的不同機(jī)制是否與感染時(shí)間或空間相關(guān)，以及這是如何抑制或激活細(xì)胞凋亡的。因此，未來對胞內(nèi)菌感染宿主細(xì)胞的進(jìn)一步深入研究，不僅有助于我們?nèi)娴亓私獍麅?nèi)寄生菌與細(xì)胞凋亡調(diào)控分子間的相互作用機(jī)制，同時(shí)對凋亡在抗感染靶向治療中的應(yīng)用也有重要的指導(dǎo)意義。