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耶爾森菌抵抗宿主免疫并誘導吞噬細胞凋亡機制研究

2011-01-24 02:12:32梁俊容綜述景懷琦審校
中國人獸共患病學報 2011年8期

梁俊容(綜述),景懷琦(審校)

人類先天性免疫系統在防御細菌病原體損害時依賴于巨噬細胞和多形核白細胞(嗜中性粒細胞PMNs)的協調作用。單核吞噬細胞(如單核細胞,巨噬細胞和樹突狀細胞)能產生炎性細胞因子,并能通過MHCⅡ類分子提呈抗原給CD4+T細胞從而通過特異性免疫清除病原體[1]。然而細菌為了能在宿主細胞中生存,誘發專職吞噬細胞凋亡對細菌而言是極為有利的[2]。

對人和嚙齒動物有致病性的耶爾森菌主要分為三類——鼠疫耶爾森菌,假結核耶爾森菌和小腸結腸炎耶爾森菌。鼠疫耶爾森菌是引起鼠疫的病原體;假結核耶爾森菌則為腸系膜淋巴結炎和敗血癥的一種病原體;小腸結腸炎耶爾森菌在人類的感染是非常普遍的,其可以造成從急性腸炎到腸系膜淋巴結炎的一系列胃腸道癥狀。鼠疫耶爾森菌是經由跳蚤叮咬進入機體,而另外兩者則是食源性病原體,主要通過糞口途徑感染[1]。雖然這三種耶爾森菌通過不同的傳播途徑感染宿主,導致了嚴重程度不同的各種疾病,但是他們都呈現出嗜淋巴組織特性以及抵抗宿主非特異性免疫應答的能力[3]。與其它腸源性致病菌(志賀菌/沙門菌)不同,耶爾森菌主要是一種細胞外病原體。在鼠感染模型中,腸致病性耶爾森菌在腸粘膜通過M細胞侵入下層淋巴組織(即Peyer結),隨后運行至淋巴結、脾、肝臟導致大量的多核白細胞增生,并與細胞外耶爾森菌形成微菌落或者微小囊腫,最終導致 Peyer結細胞結構的完全崩潰[20]。先天免疫防御系統的中性粒細胞、巨噬細胞和N K細胞以及隨后發生的高效獲得性免疫應答反應是克制耶爾森菌感染所必須的。特異性的抗體和產生 IFN-γ的CD4/CD8+T細胞在清除耶爾森菌的感染的過程中都起著重要的作用[4]。

1 耶爾森菌攻克宿主防御機制的Y op毒力系統及其主要的毒力因子

越來越多的證據表明:為了抵抗宿主的免疫機制,致病性耶爾森菌通過Ⅲ型分泌系統轉運一系列的效應蛋白(耶爾森菌外膜蛋白 Yops)到真核細胞細胞質內來抑制宿主免疫。致病性耶爾森菌都攜帶一個70kb的毒力質粒p YV,這個質粒編碼一套完整的蛋白攝入設備(Ⅲ型分泌系統)以及至少6種效應蛋白(Yops:Yop H,YopO/YpkA,YopP/YopJ,YopE,YopM,和 Yop T)以及他們的蛋白伴侶[4]。Zhao的實驗發現:耶爾森菌p YV+菌株能誘導小鼠TNFRp55介導的感染性急性期脾細胞凋亡[5]。Ⅲ型分泌系統能夠使細胞外的細菌粘附到它們的宿主細胞膜上,并插入一些孔蛋白在胞漿膜上(涉及到的蛋白質主要有LcrV,YopB,YopD),然后將 6種Yop效應子(YopE、H、T、O、P、M)傳遞入細胞。這些Yops的主要功能是抑制宿主的免疫應答。其中至少4種外膜蛋白 Yops(Yop H,YopE,Yop T和YopO/YpkA)通過破壞中性粒細胞以及巨噬細胞的細胞骨架來阻止巨噬細胞和多形核白細胞對耶爾森菌的吞噬作用[4]。ScottD.Mills的實驗表明,耶爾森菌引起細胞凋亡需要有效的分泌系統和轉運機制來將一個或多個細菌效應蛋白轉運至靶細胞的細胞質中發揮作用[6]。一旦 Yops被轉運至細胞質中,這些 Yop效應子將破壞細胞骨架,阻止核因子κB(nuclear factor of kappa B,NF-κB)的釋放 ,抑制絲裂原活化蛋白激酶(motogen-activated protein kinase activation,MAPK)的激活,抑制細胞因子的產生并且通過誘導凋亡從而引起細胞死亡[7]。其中YopP/YopJ在誘導細胞凋亡中發揮著主要作用。

1.1 Yop H Yop H具有去磷酸化和蛋白滅活作用,是一種可以通過調節補體受體或者Fc受體來抑制吞噬作用的酪氨酸蛋白激酶[8]。它可使宿主蛋白去磷酸化,并抑制巨噬細胞和中性粒細胞調控活性氧的產生。

1.2 YopE YopE可以誘導宿主細胞肌動蛋白微絲結構的損壞從而導致宿主細胞聚集,并從細胞外基底膜上分離[21]。

1.3 Yop T我們已經從一種缺乏5種已知的 Yop效應因子的突變株(HOPEM)中證實了 Yop T的作用,Yop T是一種半胱氨酸蛋白酶,通過誘導小GTP結合蛋白 RhoA的修飾以及重分布,導致了GTP的失活[4,10]。

1.4 YopO YopO(假結核耶爾森菌和鼠疫耶爾森菌中為 YpkA)是一種能夠誘導上皮細胞形態改變的絲氨酸/蘇氨酸激酶[4],其與 YopE,Yop H和Yop T介導的此過程不同:他引起細胞皺縮,但不需要從細胞基底膜分離。其可能為一種細胞骨架調節的膜相關分子。

1.5 YopM YopM包含了連續的LPX重復區,是一個富亮氨酸重復超家族蛋白結合域的亞型。它和福氏志賀菌的 IpaH蛋白或鼠傷寒沙門氏菌的Ssp H1及Ssp H2蛋白同屬于富亮氨酸超家族Ⅲ型效應因子。最近研究顯示其可能通過破壞N K細胞來干擾先天性免疫應答[10]。

1.6 YopP(假結核耶爾森菌中稱為 YopJ) 研究基因序列分析顯示 YopP和 YopJ與野油菜黃單胞菌中的 AvrRxv、沙門菌中的 AvrA、根瘤菌種的y410高度相似,AvrRxv為細胞程序性死亡(凋亡)通路激活所介導過敏反應的許多無毒力蛋白質之一[6]。Monack等發現 YopP(YopJ)除了破壞吞噬細胞外還可以誘導鼠巨噬細胞的凋亡。由假結核耶爾森菌 YopJ誘導的凋亡現象已經在鼠感染實驗中證實,有證據顯示 YopP(YopJ)可以阻礙絲裂原活化蛋白激酶MAPK,MAPK激酶(M KKs)以及核因子(NF-κB)的激活而抑制α-腫瘤壞死因子(TNF-α)和白細胞介素IL-8的合成,并最終誘導了巨噬細胞的凋亡。同時 YopP能減少黏附因子(如內皮細胞的ICAM-1和選擇素-E)的表達,抑制了趨化中性粒細胞到感染部位的能力[4]。YopP(YopJ)擾亂了信號通路的多樣性,包括 NF-κB、ERK2(細胞外信號調節激酶)、JN K(c-Jun氨基末端激酶)和p38通路等絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)的活性[9],干擾了感染靶細胞的 TNF-α,IL-1,IL-8和黑色素瘤生長刺激因子(MGSA)的合成[10]。同時 YopJ可以直接結合于MAPK激酶超家族以及NF-κB的抑制蛋白IκB,從而阻止了MAPK激酶的磷酸化以及隨后的激活過程和IκB的降解[11]。

YopP/J與 IKKβ激酶和MAPK激酶之間相互作用的研究表明:YopP/J屬于與類泛素蛋白(ubiquitin)蛋白酶相關的半胱氨酸蛋白酶家族成員。與類泛素蛋白蛋白酶可以清除C末端一個長度為11kDa的小泛素相關因子SUMO-1。YopJ催化172位半胱氨酸功能的突變導致其蛋白酶喪失活性,從而阻礙了這些外膜蛋白對NF-κB和M KK抑制信號的傳導以及誘導細胞凋亡的功能。已證實172位的半胱氨酸殘基和143位的精氨酸殘基僅僅存在于高毒力的小腸結腸炎耶爾森菌及鼠疫和假結核耶爾森菌的 YopJ中。

圖1 耶爾森菌與巨噬細胞相互作用假設模型[10]

2 耶爾森菌與細胞(巨噬細胞/中性粒細胞/樹突細胞)的相互作用

當耶爾森菌在37℃營養豐富的環境中生存時,Ysc分泌系統被激活,合成并儲存 Yop蛋白。這些蛋白中,有些結合特定的SYC蛋白伴侶帽蓋(可能是防止蛋白不成熟時的締合)。只要耶爾森菌未與真核細胞接觸,由 YopN-TyeA-LcrG組成的 YSC分泌通道控制閥門處于關閉狀態。一旦缺Ca2+或與真核細胞接觸后,分泌通道的閥門打開,易位子YopB在 YopD和LcrV的幫助下嵌入真核細胞。Yop效應子(Yop H,YopO/YpkA,YopP/YopJ,YopE,YopM和 Yop T)隨后通過分泌通道轉運,在易位子的控制下到達靶細胞的細胞質內發揮作用[10]。其中 YopE和 Yop T作用于細胞骨架,而YopP/YopJ誘導細胞凋亡(圖1)。

2.1 Ysc分泌系統編碼分泌系統的基因位于耶爾森菌毒力質粒p YV的 4個連續基因座上:virA(yopN,tyeA,sycN,yscX、Y、V、lcrR),virB(yscN-U),yscW以及virC(yscA-M)。大多數的Ysc蛋白對于分泌過程是必需的,其中有4種蛋白(YscD,YscR,YscU和 YscV)跨越耶爾森菌內膜。

2.2 伴侶蛋白 Yop效應蛋白和轉運蛋白的分泌需要其對應的蛋白伴侶(Syc)。通過與 Yops結合,Syc(蛋白伴侶)可以保證蛋白質的穩定性,保持適合的構象。在分泌時,蛋白伴侶從伴侶 Yop上釋放,轉運結構域可以自由與轉運裝置結合,然后轉運裝置引導 Yops進入宿主細胞胞漿[10]。

2.3 分泌信號 Yops需要在特殊的靶點被分泌系統識別后才能分泌。現發現Ⅲ型分泌系統有兩種不同的分泌信號控制 Yops的分泌:(1)N末端(或5′mRNA)分泌信號。(2)伴侶蛋白介導的信號[11]。

2.4 跨膜轉運 迄今為止,已知有6個效應蛋白(Yop H,YopO/YpkA,YopP/YopJ,YopE,YopM和Yop T)通過一個定向的過程穿過真核細胞膜轉運。這同時需要 YopB/YopD的參與。在12種分泌蛋白中,只有 YopB/YopD具有疏水結構域,說明它們可以與膜相互作用,這兩種蛋白的分泌及組裝可能還需要LcrV協助[10]。

3 耶爾森菌引起巨噬細胞的凋亡

耶爾森菌和巨噬細胞的相互作用最終激活了巨噬細胞本身的死亡程序。凋亡在一些感染性疾病中發揮了重要作用。耶爾森菌能誘導體外培養的巨噬細胞凋亡,表現為膜性結構形成囊泡(凋亡體形成)、胞漿皺縮、DNA片段化等凋亡的普遍特征[7]。其誘導吞噬細胞凋亡的機制主要如下。

3.1 抑制巨噬細胞 TNF-α的產生α-腫瘤壞死因子(TNF-α)主要是由巨噬細胞分泌的一種致炎細胞因子,對于減少耶爾森菌感染的嚴重性方面至關重要。相應的,抑制 TNF-α的合成增強了耶爾森菌在宿主中增殖的能力。脂多糖(LPS)激活 ERK1/2、JU K和p38通路等絲裂原活化蛋白激酶(MAPK),被活化的MAPK激活NF-κB使得 TNF-α開始轉錄,而后刺激巨噬細胞和中性粒細胞PMN殺滅微生物。然而耶爾森菌與巨噬細胞相互作用釋放 YopP/YopJ可以通過激活細胞凋亡蛋白酶(Caspase)來誘導細胞凋亡。同時 YopP/YopJ對MAPK進行反向調節并影響NF-κB的激活,這兩種作用可以解釋YopP/YopJ引起的 TNF-α減少。

3.2 耶爾森菌引起多形核白細胞產生活性氧分子ROS(Reactive Oxygen Species) 多形核白細胞的凋亡與ROS產量增加密切相關。在有 TNF-α和細菌存在時,由慢性肉芽腫(CGD)病人產生的多形核白細胞或者使用還原型輔酶Ⅱ(NADPH)抑制劑處理的多形核白細胞可以延遲凋亡的產生。進一步的研究證實,使用可以誘導產生活性氧分子的佛波脂(phorbolmyristate acetate)處理多形核白細胞后會加速凋亡進程;且ROS水平的升高會抑制多形核白細胞凋亡蛋白酶的活性[1]。多形核白細胞感染耶爾森菌后,毒力質粒型的耶爾森菌株抑制多形核白細胞ROS的產生與磷脂酰絲氨酸暴露不足、乳酸脫氫酶(LDH)釋放、EthD-1著色有關。我們發現在多形核白細胞與鼠疫耶爾森菌吞噬作用中,使用NADPH氧化酶抑制劑抑制中性粒細胞ROS的產生可以降低LDH釋放和 EthD-1著色[13]。由此可以看出ROS在一定程度上影響多形核白細胞的凋亡,耶爾森菌依靠 TTSS抑制ROS的產生從而延緩正常多形核白細胞的凋亡[1]。

3.3 耶爾森菌對巨噬細胞內信號轉導途徑的作用

3.3.1 抑制轉錄因子NF-κB的激活 轉錄因子NF-κB是先天性免疫的核心,它控制細胞因子、急性期蛋白、粘附分子的合成,并通過抑制細胞凋亡來調節細胞生存[12]。Mittal的實驗結果顯示耶爾森菌抑制NF-κB的激活與觸發巨噬細胞凋亡并抑制α-腫瘤壞死因子(TNF-α)的產生之間存在著密切聯系。并且O∶8血清型耶爾森菌的毒力蛋白 YopP比O∶9血清型的 YopP更能有效地抑制NF-κB從而誘導巨噬細胞凋亡。目前認為耶爾森菌作用于巨噬細胞NF-κB信號途徑的過程是 YopP/J結合并抑制了巨噬細胞的NF-κB的活化激酶IKKβ。游離的NF-κB被轉運到細胞核中并結合在靶序列和轉運啟動子上。YopP所誘導的細胞凋亡可被一時性過度表達的 NF-κBp65特異地抑制,表明 YopP介導的細胞凋亡是由于 NF-κB信號途徑遭到破壞所致[12]。

暴露于細菌脂多糖(LPS)或者其他炎性刺激因子例如α-腫瘤壞死因子(TNF-α)或者白介素1(IL-1)、基因誘變劑和電離輻射等可激活巨噬細胞NF-κB途徑[3]。NF-κB抗細胞凋亡是一個涉及多個信號通路的復雜過程,但其主要方式是通過誘導或上調抗凋亡基因的表達實現的。這些基因調節位點上有NF-κB的結合位點,他們的表達產物通過抑制細胞凋亡的死亡受體途徑或線粒體途徑發揮作用。到目前為止,研究發現細胞凋亡抑制蛋白(inhibitor of apoptosis proteins,IAPs)、Bcl-2 家族、TNFR-associated factor(TRAF1,TRAF-2)、JN K、c-FLIP、IEX-1L等都參與 NF-κB激活后的抗細胞凋亡過程。

3.3.2 促進Caspase的激活 凋亡中最早并且最常見的現象就是啟動Caspase的激活。Caspase抑制劑Zvad-fmk并不阻礙耶爾森菌誘導的凋亡,這提示耶爾森菌可能在 Caspase上游水平起始凋亡[14]。Caspase通過與受體蛋白的相互作用或者清除細胞內級聯反應中上游蛋白酶誘導的蛋白質水解來活化。目前的研究揭示引起凋亡主要有兩條途徑:細胞外的死亡受體途徑及細胞內的線粒體途徑。前者主要是刺激因素激活細胞內 P53,Fas,Bcl-2,NF-κB等基因,由腫瘤壞死因子(TNF)受體家族介導,使Caspase-8激活;后者是通過刺激因素影響細胞內線粒體的膜電位,導致線粒體內細胞色素C釋放,胞內 Ca2+濃度升高,p H值下降,使 Caspase-9激活。兩個途徑最后都導致效應性Caspase-3活化,效應性 Caspase-3,-6,-7激活內切核酸酶,使DNA鏈斷裂,最終細胞結構的全面解體[22]。環境因素、衰老和程序發展(包括從線粒體內膜釋放細胞色素C至細胞質中導致的蛋白激酶自身活化)都可以引起凋亡小體復合物的聚集和激活從而激發Caspase級聯反應。然而誘發細胞色素C釋放的機制目前還不清楚。在 Guy R.Cornelis的試驗中顯示,小腸結腸炎耶爾森菌中Caspase的激活在 YopP介導的細胞死亡中起了關鍵作用。并且 YopP介導的細胞凋亡啟動了細胞死亡通路上游的細胞溶質蛋白Bid。Bid的清除隨后導致了細胞色素C從線粒體中釋放出來,最終導致了 Caspase-9和Caspase-3/7的激活[14]。

3.3.3 阻止MAPK信號轉導途徑一系列研究顯示耶爾森菌通過下調絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)的活性來阻止巨噬細胞產生α-腫瘤壞死因子(TNF-α)。Orth的實驗表明,YopP/YopJ結合并且失活MAPK上游啟動子——MAPK激酶超家族的成員。革蘭氏陰性菌的脂多糖能夠激活巨噬細胞三種不同的MPA K家族:ERK,JN K/SAPK和p38。然而脂多糖激活MAPK的機制目前還不明確[15]。用 MAPK和 TNF-α抑制劑處理后能誘導樹突狀細胞凋亡。相反,在巨噬細胞中抑制p38,JN K和MEK1/2等絲裂原活化蛋白激酶并不能恢復YopP突變株誘導細胞死亡的能力,這與先前在巨噬細胞J774A.1的研究發現一致:抑制MAPK的活性從而引起耶爾森菌誘導的細胞死亡僅僅在NF-κB也被抑制的情況下才會發生[16]。

Bliska等研究發現,假結核耶爾森菌YopJ促進了絲氨酸/蘇氨酸的乙酰化,從而抑制了如 MKK6等MKKs的活性,由此介導了對 NF-κB信號轉導通路的抑制[17]。目前的研究發現,YopP促進了死亡誘導信號復合體(DISC)的形成,從而導致了Caspase-8的激活[14]。因此,我們推測 YopP可能在DISC水平上通過乙酰化MKK來促進Caspase-8的激活。在Autenrieth的實驗中通過使用MAPK抑制劑證實:耶爾森菌毒力蛋白 YopP通過阻止宿主細胞MAPK信號轉導途徑引起OVA攝取的減少,從而影響了樹突狀細胞誘導產生 T淋巴細胞的能力[18]。

3.4 脂多糖對吞噬細胞凋亡的促進作用 我們分析了YopP在誘導巨噬細胞和樹突細胞凋亡過程中的區別。在樹突細胞中,脂多糖在耶爾森菌感染早期階段通過清除Caspase-8從而在 YopP誘導凋亡的過程中發揮了重要作用[14]。在J774A-1巨噬細胞中,脂多糖通過抑制 YopP介導的NF-κB的激活來促進凋亡。Bohn的實驗提出耶爾森菌脂多糖可刺激小鼠腹腔巨噬細胞產生IL-18和 IL-12。感染初期IL-18可負反饋抑制 IL-12過度產生,IL-18、IL-12共同誘導N K細胞或者CD4+T細胞分泌IFN-γ后,IFN-γ又會誘導巨噬細胞產生 IL-12,導致級聯放大效應,生成高水平 IFN-γ,達到最佳保護機制[19]。

4 存在的問題及今后研究方向

總之,在耶爾森菌抵抗宿主免疫和誘導細胞凋亡過程中,許多蛋白因子參與了其信號轉導。盡管耶爾森菌引起細胞凋亡在體外實驗中是明顯的,但其生理病理學作用目前并不清楚。YopP/YopJ突變不影響毒力,至少在小鼠模型上是這樣。用 Yop突變株逐一篩選的實驗結果表明 Yop能誘發巨噬細胞凋亡,而與 YopE無關,其確切機制仍有待探討[2]。此外,耶爾森菌誘導的細胞凋亡從未在體內試驗中觀察到。唯一知道的是,小腸結腸炎耶爾森菌感染小鼠,受染的 Peyer結上凋亡細胞數增加。這種現象是因為感染組織的一般退化還是由于YopP/YopJ的作用,依然有待證明。雖然 YopP/YopJ能快速引起鼠巨噬細胞和樹突狀細胞凋亡,然而他們對于中性粒細胞的作用仍不十分清楚。與巨噬細胞不同的是,其他細胞(如成纖維細胞和上皮HeLa細胞)在感染耶爾森菌后,盡管 YopP/YopJ被有效轉運至 HeLa細胞并抑制了NF-κB的激活和IL-8細胞因子的產生,但其并不引起凋亡[16]。對耶爾森菌抵抗宿主免疫及誘導凋亡的相關信號轉導通路具體機制的研究,將有助于加深對耶爾森菌引起疾病發生的分子機制的認識,也可為治療這些疾病開拓新的途徑。

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