miRNAs在結核分枝桿菌逃逸巨噬細胞免疫殺傷中的作用機制

趙英豪,張林波,張文慧

(吉林農業大學生命科學學院,吉林 長春 130118)

結核分枝桿菌(MTB)是導致結核病的病原菌,其感染可引起慢性、致死性人獸共患傳染病,嚴重危害人畜健康和生命安全。結核分枝桿菌在與宿主長期相互作用下,形成一系列免疫逃避機制,包括改變巨噬細胞的攝取方式、抑制細胞凋亡及自噬、阻止吞噬溶酶體的成熟及酸化、及避免反應氧產物(Reactive oxygen species,ROS)和反應氮產物(Reactive nitrogen species,RNS)的毒性效應[1],進而逃避宿主細胞的免疫殺傷,這給結核病防治帶來極大阻礙。

微小RNA(microRNA,miRNA)是一類由內源基因編碼的長度約為22個核苷酸的非編碼單鏈RNA分子,參與轉錄后基因表達調控。已有相關研究表明,miRNAs在腫瘤、自免疫性疾病、慢性炎癥及感染等多個領域中發揮著作用[2]。近年來,miRNAs在宿主和細菌之間相互影響的相關性得到證實,促進了miRNAs在感染性疾病中相關作用方面的研究。已有研究表明,MTB感染機體后miRNAs在巨噬細胞、T細胞、樹突狀細胞及外周血中表達量均有顯著變化[3]。其中巨噬細胞是MTB感染后的宿主細胞,因此本文將以miRNAs在MTB逃逸宿主巨噬細胞免疫殺傷中,對巨噬細胞凋亡、自噬、焦亡、炎癥反應,氧化應激和抗原遞呈的調節等方面研究進行綜述,以期為miRNAs在病原菌與宿主細胞互作中的作用機制研究提供參考。

1 miRNAs調節巨噬細胞的凋亡、自噬及焦亡

細胞的死亡是機體消滅病原菌的主要途徑,因為其不僅能夠破壞病原菌賴以生存的環境而限制其在體內復制,還可以將病原體暴露于機體并被免疫細胞所識別,激活機體的抗感染天然免疫信號轉導。主要包括凋亡(Apoptosis)、自噬(Autophagy)及焦亡(Pyroptosis)等方式[4]。

1.1 MTB抑制細胞凋亡、自噬及焦亡 巨噬細胞通過自身凋亡從而殺死胞內的MTB,凋亡小體又可被其他巨噬細胞所攝取,這一途徑是宿主巨噬細胞抵御胞內病原體的一個重要機制。Luo X等人研究發現,結核菌強毒株誘導巨噬細胞壞死,而弱毒株誘導巨噬細胞凋亡[5]。師清博等人的研究表明,MTB的一些毒力因子及分泌的蛋白可以抑制細胞凋亡,如：ESAT-6、19000脂蛋白、38000脂蛋白、小分子熱休克蛋白Hsp16.3、I型NADH脫氫酶NuoG、Rv3655c等[6]。從Saini N K等人的試驗結果中發現,哺乳動物細胞侵入蛋白4A(Mammalian cell-entry protein 4A,Mce4)刺激巨噬細胞后,可以促進細胞因子TNF-α和IFN-γ等的產生,證明MTB的Mce4與MTB的免疫逃逸相關[7]。

1.2 miRNAs與細胞凋亡 MTB感染引起miRNAs表達量上調或下調,進而引起巨噬細胞針對MTB的免疫應答反應發生變化。袁秋露等經試驗證明,MTB感染會下調巨噬細胞中miR-let-7f的表達水平,而且miR-let-7f的表達下調與MTB分泌的 ESAT-6蛋白密切相關;并且研究中發現,miR-let-7f可通過特異性靶向抑制A20基因的表達,促進巨噬細胞的凋亡及控制巨噬細胞內MTB的生長繁殖速率[8]。Xi等研究發現,用H37Rv感染巨噬細胞后,miR-223表達量明顯增加,過表達的miR-223抑制FOXO3,表明miR-223是具有抗巨噬細胞凋亡的作用[9]。Czimmerer Z等人發現,miR-342-3p對巨噬細胞的抗凋亡基因有抑制作用,通過靶向抑制Bcl-2樣蛋白1(Bcl-2L1)基因而減少巨噬細胞的存活,促進細胞凋亡[10]。Liu Y等人發現,miR-582-5p通過下調轉錄因子FOX01的表達來抑制單核細胞凋亡,在抗MTB的免疫應答中發揮作用[11]。劉紅艷在研究中用H37Rv感染miR-19b抑制劑轉染的大鼠肺泡巨噬細胞,結果發現,miR-19b沉默能夠通過上調TLR2水平促進強毒力結核分枝桿菌誘導的大鼠肺泡巨噬細胞凋亡[12]。

1.3 miRNAs與細胞自噬 Kim J K等在研究中發現,miR-125a在MTB感染后表達水平上升,并抑制UV輻射抗性相關基因(UVRAG)的表達,抑制UVRAG的表達可阻止了巨噬細胞的自噬反應及胞內吞噬小體的成熟[13]。目前已經發現了2條可以減少miR-125a合成的途徑,這提示可用于增強巨噬細胞的自噬。Kim J K還發現MTB會明顯誘導巨噬細胞中miR-144的表達,高表達的 miR-144特異性結合DNA損傷調節自噬調節劑2(DNA damage regulated autophagy modulator 2,DRAM2)的 3′-UTR,抑制自噬相關蛋白DRAM2的表達,從而影響巨噬細胞的自噬過程,胞內的MTB免于因細胞的自噬被消化降解[14]。

1.4 miRNAs與細胞焦亡 He Y等人的報道中介紹了包括MTB、布魯菌屬、嗜肺軍團菌在內的三種病原體會引起細胞焦亡[15]。Tang H等研究糖尿病模型時發現,在高糖的條件下miRNAs的表達會增強,隨后Caspase-1活性及IL-1β和IL-18表達水平增高,顯示其可促進細胞焦亡[16]。在綜上的研究中發現,miR-181a、miR-223、miR-147具有抑制 IL-1β表達的作用,提示其可能對細胞焦亡也有影響。劉春法在研究中發現,當巨噬細胞感染MTB后MTB的生存基因(EIS基因)通過減弱自噬、炎性細胞因子的產生、以及Caspase依賴的細胞死亡來限制宿主的免疫反應[17]。Chung S D等人研究中發現ROS在細胞焦亡中也發揮著作用,ROS可通過內切核酸酶引起細胞焦亡[18]。因而可影響ROS產生的miR-451、miR-148a-3p、miR-181a 和 miR-15a/16 都可能對細胞焦亡產生調控作用。

以上研究證實,在MTB感染巨噬細胞后,引起miRNAs表達量的變化對巨噬細胞的自噬和凋亡有著調控作用,MTB可以利用一些miRNAs的上調或下調逃避巨噬細胞的免疫殺傷。然而MTB感染后引起細胞焦亡有哪些途徑及miRNAs在其中的作用機理尚不十分清楚。

2 miRNAs調節以自由基為基礎的殺傷作用及炎癥反應

2.1 MTB逃避RNS和ROS的免疫殺傷 巨噬細胞產生用來殺傷MTB的物質包括ROS、RNS、活性氧中間產物(ROI)和活性氮中間產物(ROS)。王飛樂等人研究表明,MTB抑制ROS的毒性作用主要通過MTB較厚的細胞壁上富含的特殊成分[19]。另外MTB產生的超氧化物歧化酶(So-dA,SodC),過氧化氫酶(KatG)以及由AhpC、Ah-pD、SucB和Lpd組成的酶復合體都能夠有效抵抗ROS[20]。Shin D M等人發現,EIS基因對MTB在體內生存具有調節作用,主要是通過JNK信號通路調節ROS的產生,而其調節ROS的主要是N-乙酰轉移酶結構域[21]。

2.2 miRNAs與炎癥反應 巨噬細胞產生促炎細胞因子是其在免疫應答過程的效應之一。Xie W的研究表明,在細胞中過表達miR-181a,會導致IL-1a的表達水平顯著降低,同時還抑制IL-1β,IL-6和TNF-α等炎性因子的表達,這表明miR-181a具有抑制巨噬細胞炎癥反應的作用[22]。在Liu Y等人的研究中發現,miR-223也具有同miR-181a一樣的作用,miR-223可通過抑制細胞因子產生和NF-κB活化來調節巨噬細胞的炎癥反應功能[23]。MTB感染巨噬細胞后TLR信號可以激活NF-κB等多種促炎細胞因子抵抗感染,研究表明,誘導miR-147在小鼠巨噬細胞中表達,可以激活TLR/NF-κB信號通路,減少TNF-α,IL-6等炎癥細胞因子產生,這說明miR-147具有抗炎作用,可以下調過度炎癥反應[24]。 從研究中可以發現 miR-181a、miR-223、miR-147均具有抑制炎癥反應的作用。

2.3 miRNAs與氧化應激 巨噬細胞產生氧化應激作用,利用生成的自由基殺傷 MTB,也是消滅MTB的主要途徑之一。Ranjan R等發現在酵母聚糖刺激下,miR-451缺陷細胞會抑制活性氧的生成。還有研究發現,miR-181a和miR-15a/16具有與miR-451相反的調節作用,當二者被抑制時,巨噬細胞活性氧產生量增加[25]。Huang等發現過表達miR-148a-3p時,會通過調控PTEN/AKT途徑增加巨噬細胞活性氧的生成,從而增強巨噬細胞的吞噬和殺菌能力[26]。因此MTB感染后,可能通過抑制miR-451和miR-148a-3p的表達或提高miR-181a和miR-15a/16的表達逃避活性氧的殺傷。綜上研究表明,一些miRNAs分子參與了MTB感染后巨噬細胞活性氧的生產過程。

3 miRNAs調節巨噬細胞的抗原遞呈

3.1 MTB干擾巨噬細胞的抗原遞呈 抗原遞呈是免疫殺菌機制的一個重要環節,巨噬細胞在吞噬MTB后作為抗原遞呈細胞通過主要組織相容性復合體(Major histocompatibility complex,MHC)將有效成分遞呈給特異性T細胞,活化的T細胞分泌IFN-γ、IL-2和TNF-α等細胞因子以增強巨噬細胞的殺傷能力,而MTB為了逃避這種殺傷一方面通過抑制抗原的加工處理、MHC分子與內體的共定位和抗原肽的卸載等方式抑制抗原遞呈過程;另一方面通過阻礙MHC-Ⅱ類分子的表達合成,來阻止抗原遞呈過程。Gupta A等人的研究證明,MTB細胞壁上能被TLR2識別的19 kD脂蛋白,Man-LAM等多種自身成分可減弱 IFN-γ誘導的 MHC-Ⅱ類分子的表達[27]。

3.2 miRNAs與抗原遞呈 巨噬細胞吞噬MTB后作為抗原遞呈細胞發揮遞呈功能是免疫殺菌的一個重要作用。Chaudhuri A A等人的研究發現,當巨噬細胞中miR-125b過表達時,會抑制IRF4的表達水平,從而促進巨噬細胞活化,并使細胞表面的MHC-II、CD40、CD86、CD80 和 IFN- γ 受體表達增加,使巨噬細胞對IFN-γ的應答反應增強,并且過表達的miR-125b會使巨噬細胞對刺激信號的敏感度增加,即增強了巨噬細胞的抗原呈遞能力[28]。還有研究表明,一些miRNAs與miR-125b有著相反的作用,如miR-24,miR-30b和 miR-142-3p等,研究發現,它們可以減弱原代巨噬細胞和樹突狀細胞中可溶性抗原卵白蛋白的攝取和加工,使其對CD4+T細胞的抗原呈遞能力受到抑制,并減少T細胞增殖[29]。Ni B等人的研究中表示高表達的miR-132和miR-26a靶向結合P300,抑制P300蛋白的表達;由于P300是IFN-γ進行免疫調節反應的一種重要的轉錄激活因子,因此P300表達量的下降會阻礙IFN-γ應答基因的轉錄效能,進而影響巨噬細胞抗原遞呈和吞噬免疫復合物的能力[30]。綜上研究表明,MTB感染巨噬細胞后,可能通過抑制miR-125b或增強miR-24,miR-30b和 miR-142-3p的表達減弱巨噬細胞抗原遞呈,從而逃避其殺傷作用。

4 展望

MTB與巨噬細胞互作機理錯綜復雜,深入了解其機理有助于控制MTB的感染。綜上研究,發現miRNAs的相關作用可以協助巨噬細胞對MTB進行免疫殺傷。同時研究發現,MTB會引起細胞焦亡,而miRNAs對細胞焦亡也具有調控作用,因此miRNAs是否會在MTB逃逸細胞焦亡過程發揮作用也是一個全新的研究方向。

MTB感染誘導miRNAs表達量發生變化,并引起巨噬細胞功能發生變化,這些研究提示,miRNAs不僅可以作為生物標志物用于診斷MTB感染,也可在抗菌的過程中利用其上調或下調的機制,發揮其特有的作用。因此研究miRNAs在MTB與巨噬細胞互作中的調控作用可為疾病的診斷及治療提供新思路。