微生物感染與細胞凋亡相互作用研究進展

高文暄

(華東師范大學生命科學學院 上海 200241)

1 微生物感染與細胞凋亡的一般關(guān)系

細胞凋亡是機體的一種重要生理機制，是自然發(fā)生的細胞死亡過程。細胞凋亡受基因調(diào)控，在生物個體生長發(fā)育過程中發(fā)揮著特殊作用，貫穿機體整個生命活動過程，能夠?qū)崿F(xiàn)細胞毒性、抗病毒、免疫調(diào)節(jié)及轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)等多種生物活性功能[1]。

機體免疫系統(tǒng)會采用多種方式對微生物感染做出反應(yīng)，主要包括激活炎癥、招募免疫細胞到感染部位、在黏膜表面產(chǎn)生抗菌肽以及激活補體系統(tǒng)等。但是，倘若以上這些免疫反應(yīng)未能成功抵御病原微生物，細胞死亡信號通路就會被激活以消除被感染的細胞： 破壞病原微生物生長繁殖的胞內(nèi)環(huán)境，使細胞內(nèi)的病原體暴露于機體的免疫環(huán)境中[2]并被巨噬細胞和樹突狀細胞吞噬；這兩種吞噬細胞接著會傳遞相關(guān)抗原給T細胞，促進特異性免疫系統(tǒng)的活化。

另一方面，在長期的適應(yīng)過程中，病原微生物也發(fā)展形成了多重策略來影響宿主細胞的死亡過程，從而有利于自身更好地生存繁衍[3]： ①直接或間接地抑制機體細胞的凋亡過程，從而逃避機體免疫細胞的殺傷清除作用(這會導(dǎo)致感染的擴散及加重)；②誘導(dǎo)和增強機體細胞的凋亡，使細胞功能喪失(這會導(dǎo)致一系列病理改變，出現(xiàn)臨床病癥)。

細胞凋亡不僅是免疫系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)，同時是決定相關(guān)臨床進展及疾病嚴重程度的主要因素。被感染的宿主細胞的凋亡清除可以抑制微生物的復(fù)制和傳播，甚至抑制炎癥損傷。例如，誘導(dǎo)樹突狀細胞的內(nèi)在凋亡通路可限制兼性細胞內(nèi)病原體的復(fù)制，細胞凋亡有缺陷或誘導(dǎo)延遲會促進疾病的發(fā)生、發(fā)展并引起顯著的組織損傷[4]；在小鼠巨噬細胞內(nèi)源途徑中，誘導(dǎo)抗凋亡的B淋巴細胞瘤-2基因(Bcl-2)家族成員髓樣白血病-1基因(Mcl-1)過表達可阻止Mcl-1轉(zhuǎn)基因小鼠有效清除肺炎球菌[5]；宿主細胞的凋亡誘導(dǎo)也是感染得到控制后終止免疫應(yīng)答的首選機制，因為細胞以凋亡的方式死亡可以更好地控制組織損傷(炎癥反應(yīng)不可避免的后果)。

但是，凋亡的誘導(dǎo)并非總是能夠在微生物感染中保護宿主細胞，因為病毒和細菌可以利用宿主的凋亡機制來消除免疫應(yīng)答所需的細胞。許多病原體(如金黃色葡萄球菌等)，能夠產(chǎn)生直接激活宿主細胞凋亡機制的毒性因子。在這些情況下，疾病發(fā)病機制被擴大并且組織損傷顯著加劇。

2 病毒感染與細胞凋亡

病毒感染與細胞凋亡之間存在著密切的關(guān)系。首先，免疫系統(tǒng)介導(dǎo)的靶細胞凋亡可以清除病毒，避免疾病的發(fā)生，從而維護機體正常功能；而病毒可通過誘導(dǎo)或抑制來調(diào)節(jié)相關(guān)細胞凋亡，進而可以使其在機體內(nèi)更好地生存繁殖，從而造成持續(xù)性感染和腫瘤等疾病的發(fā)生。簡而言之，兩者相互作用過程包含復(fù)雜的調(diào)控信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和促進/阻遏效應(yīng)[6]。

2.1 病毒感染誘導(dǎo)細胞凋亡 病毒感染誘導(dǎo)靶細胞凋亡主要通過兩種方式： ①通過自身蛋白直接誘導(dǎo)靶細胞凋亡;②病毒編碼的產(chǎn)物誘導(dǎo)凋亡基因表達、激活caspase途徑、上調(diào)Fas L/Fas和TNF-α/TNFR-1的表達，間接誘導(dǎo)靶細胞凋亡[3]。病毒通過這兩種方式保證其在機體細胞內(nèi)大量繁殖。

病毒直接誘導(dǎo)凋亡主要通過其表面的一種或多種蛋白質(zhì)促進靶細胞凋亡。例如，乙型肝炎病毒(HBV)的X基因(HBx)所表達的HBx蛋白能夠觸發(fā)HBV感染的肝細胞凋亡。人類免疫缺陷病毒(HIV)的包膜蛋白gpl20與CD4+T細胞表面的CD4分子結(jié)合，通過傳遞異常信號誘導(dǎo)CD4+T細胞凋亡，導(dǎo)致CD4+T細胞減少而CD8+T增多，引起以CD4分子細胞缺損和功能障礙為中心的嚴重免疫缺陷[7]。

病毒有多種方式間接誘導(dǎo)凋亡，包括通過病毒編碼的產(chǎn)物影響細胞凋亡： 很多病毒可通過模擬某些細胞因子、細胞因子的受體或者細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)的構(gòu)成元件，來編碼自身蛋白，啟動細胞死亡的上游信號或細胞的相關(guān)基因表達，從而破壞細胞的正常生理代謝功能，導(dǎo)致細胞凋亡[8]。實驗表明，HBV的相關(guān)編碼產(chǎn)物能誘導(dǎo)腫瘤抑制基因(P53)的表達，引起肝細胞凋亡。P53的產(chǎn)物主要存在于細胞核內(nèi)，積累時可促進細胞凋亡，而當其缺乏時則會引起腫瘤細胞的無限繁殖。研究發(fā)現(xiàn)，如果用牛單純皰疹病毒Ⅰ型感染外周血單核細胞，被感染的細胞內(nèi)P53的表達產(chǎn)物的數(shù)量和活性明顯增高[7]。

病毒激活caspase途徑的作用機理如下： caspase是一類天冬氨酸依賴性的半氨酸蛋白酶，能特異性地水解細胞中的一系列底物導(dǎo)致細胞解體，在凋亡過程中起著核心作用，是凋亡的介導(dǎo)者與執(zhí)行者；凋亡信號首先活化上游的caspase啟動因子，包括caspase-2、caspase-6以及caspase-7等，最終引起核酸斷裂導(dǎo)致細胞凋亡[3]。據(jù)研究，風疹病毒(Rubella virus，RV)誘導(dǎo)凋亡的程度與caspase-3的活性相關(guān)，RV誘導(dǎo)的細胞凋亡過程需要caspase依賴型通路[9]。

除此之外，病毒可通過促進死亡受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)來促進凋亡，包括Fas L/Fas途徑和TNF/TNFR途徑，兩者均可以引起細胞凋亡的死亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。因此病毒通過相關(guān)表達產(chǎn)物影響細胞內(nèi)的信號通路，上調(diào)Fas L/Fas和TNF-α/TNFR-1的表達可以間接誘導(dǎo)靶細胞凋亡。

2.2 病毒感染抑制細胞凋亡 病毒可以通過編碼caspase的抑制蛋白來抑制Fas L和TNF-α的活性，從而進一步抑制宿主細胞凋亡[3]。很多病毒可以直接或間接地抑制caspase的活性來抑制細胞凋亡，其中涉及絲氨酸蛋白酶抑制劑、細胞內(nèi)抑制凋亡蛋白(clAP)的同型異構(gòu)體家族、P35蛋白等。同時，病毒可產(chǎn)生很多種表達產(chǎn)物(主要是蛋白質(zhì))，來抑制Fas L/Fas和TNF-α/TNFR-1的表達。這些蛋白質(zhì)主要是通過模擬各種信號因子或受體的某些區(qū)域，從而與相應(yīng)的配體或配基競爭性結(jié)合，阻斷死亡信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)，抑制細胞凋亡。

3 細菌感染與細胞凋亡

細菌屬于原核生物，可分為胞內(nèi)寄生菌和胞外寄生菌。細菌可引起人類各種感染性疾病，1992年首次發(fā)現(xiàn)細菌可以引起受感染的宿主細胞發(fā)生凋亡。此后的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，與病毒感染一樣，細菌感染對細胞凋亡既有抑制作用也有促進作用： 細菌與宿主細胞，特別是與宿主骨髓細胞系的細胞(如單核細胞、巨噬細胞和樹突細胞)相互作用時，可以通過相關(guān)細胞因子輸入大量信號給宿主細胞，這些信號同時具有誘導(dǎo)和抑制凋亡的特性，平衡可被任一方打破[10]。

3.1 不同種類細菌與細胞凋亡 細菌不同的生活方式對凋亡具有不同影響。由于有關(guān)細菌與細胞凋亡的研究較少，細菌本身的分類也較為雜亂，因此以下僅簡要說明兩類革蘭氏細菌與細胞凋亡的關(guān)系。

革蘭陽性菌不產(chǎn)生內(nèi)毒素脂多糖(LPS)，因此主要通過外毒素或一些特殊水解酶而發(fā)揮致病作用，其中一些毒素與宿主細胞凋亡相關(guān)，如化膿性鏈球菌外毒素B(SPEB)、葡萄球菌的腸毒素(SEB)、白喉棒狀桿菌白喉毒素(DTX)均可誘導(dǎo)細胞凋亡。例如，用葡萄球菌產(chǎn)生的葡萄球菌腸毒素(SEB)注射小鼠，會導(dǎo)致小鼠的脾臟和淋巴結(jié)腫大、但胸腺明顯萎縮、胸腺細胞發(fā)生凋亡；并會進一步引起小鼠CD+4T和CD+8T淋巴細胞急劇減少，免疫功能明顯受損，不能將病原體局限化，從而更容易發(fā)生遷徙性病灶[11]。

革蘭陰性菌具有LPS，是重要的致病因子之一，但LPS本身對TNF誘導(dǎo)的細胞凋亡有明顯抑制作用，即在一定程度上，起到抑制細胞凋亡的作用，這有利于細菌存活。研究發(fā)現(xiàn)，革蘭陰性菌主要通過非LPS毒性因子誘導(dǎo)機體細胞凋亡，在造成細菌擴散的同時并發(fā)組織器官損害。例如，幽門螺桿菌(HP)與胃十二指腸炎及潰瘍發(fā)病密切相關(guān)。胃和十二指腸上皮細胞感染HP后，胞內(nèi)Fas抗原及Fas配體的形成明顯增加，由Fas L/Fas誘導(dǎo)上皮細胞凋亡，形成臨床常見的胃十二指腸炎，重者可發(fā)展為胃十二指腸潰瘍。同時，研究證明胃炎癌變過程中HP感染是通過調(diào)控凋亡基因Survivin的表達實現(xiàn)的[12]。

3.2 細菌成分導(dǎo)致的凋亡誘導(dǎo)和抑制 雖然不同種類的細菌對細胞凋亡的影響不同，但細菌是否和病毒一樣可以經(jīng)過一些較為通用的分子途徑影響細胞凋亡呢？

哺乳動物細胞主要是根據(jù)細菌的成分來完成對細菌的識別，如細菌的脂多糖(LPS)和脂磷壁酸。該識別過程涉及到很多細胞因子及信號通路，其中Toll樣受體(TLR)家族發(fā)揮了重要的作用。TLR的活化會引發(fā)復(fù)雜的細胞反應(yīng)，包括轉(zhuǎn)錄因子NF-κB家族成員和各種激酶信號傳導(dǎo)途徑的激活[13]。實驗發(fā)現(xiàn)，NF-κB具有抗凋亡活性，可正向調(diào)節(jié)許多抑制凋亡的分子，如Bcl-2家族成員Bcl-x、凋亡分子的細胞抑制劑以及c-FLIP等。現(xiàn)已提出了多種反饋調(diào)節(jié)途徑，根據(jù)對這些途徑的分析，發(fā)現(xiàn)凋亡可能會干擾NF-κB的信號傳送，NF-κB調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物也可增強抗凋亡基因的轉(zhuǎn)錄[10]。由此可以看出，NF-κB家族成員及相關(guān)信號途徑對細胞凋亡有著重要意義。

除此之外，在許多情況下細菌產(chǎn)物可阻止細胞凋亡： 如埃里希體(Ehrlichia)蛋白成分、幽門螺桿菌(HP)的水溶性成分和Phyromonasgingivalis的菌毛均可抑制細胞自發(fā)性死亡。研究發(fā)現(xiàn)，細菌產(chǎn)物的作用機理也和NF-κB活性提高有關(guān)。

4 結(jié)語

細胞凋亡是多細胞機體生命活動不可缺少的一部分，由各種各樣的分子刺激啟動。隨著對細胞凋亡與病原微生物相互作用的研究不斷深入，已經(jīng)知道宿主—病原體相互作用誘導(dǎo)宿主細胞程序性死亡的機制非常復(fù)雜，兩者存在一種微妙的平衡。

毫無疑問，進一步闡明細胞程序性死亡及其調(diào)控的分子機制以及研究微生物在其宿主中誘導(dǎo)或抑制凋亡的機制，將進一步了解宿主與病原體之間的復(fù)雜關(guān)系，推動免疫學和醫(yī)學的發(fā)展。