皇幼明 朱紅梅 溫海
(上海長征醫(yī)院皮膚病與真菌病研究所全軍真菌病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室上海長征醫(yī)院皮膚科,上海 200003)
隱球菌是擔(dān)子菌酵母類真菌,在人類和動物中可引起隱球菌病。大部分人類隱球菌病發(fā)生在免疫受損人群,但也可在免疫正常人群中發(fā)病。隱球菌性腦膜炎由于其高致病性、難治愈性,正引起人們廣泛的關(guān)注。樹、鴿糞、土壤等是適宜隱球菌的自然生態(tài)環(huán)境,這些環(huán)境可刺激交配和孢子生長[1]。新生/格特隱球菌共有四種血清類型:血清A型(新生隱球菌格魯比變種),血清B和 C型(格特隱球菌),血清D型 (新生隱球菌新生變種)。不同血清型的隱球菌在生態(tài)分布、毒力方面存在不同程度的差異。公認(rèn)的隱球菌毒力因子主要有四種:莢膜、產(chǎn)生黑素、37℃生長、胞外分泌酶[2-5]。另外,交配型、表型轉(zhuǎn)換、抗菌藥物敏感性以及應(yīng)對外界信號應(yīng)激的胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路均對毒力有著不同程度的影響。已有越來越多的研究關(guān)注這些毒力影響因素。因此,闡明毒力相關(guān)的致病機(jī)制對隱球菌病的診治具有重要意義。但目前關(guān)于這一系統(tǒng)的具體機(jī)制還不清楚。本文就促分裂原蛋白激酶信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路如何調(diào)控毒力因子的機(jī)制作一闡述。
隱球菌是一種全球分布的真菌,主要分布于土壤、桉樹、鳥糞中。隱球菌細(xì)胞外環(huán)境由多種物理和生物因素組合而成,極大地影響著其生存和發(fā)展。隱球菌在感染哺乳動物宿主時(shí)亦暴露于環(huán)境變化中,它必須要感受這些變化、迅速地對胞外信號做出反應(yīng)使自身能夠靈活地應(yīng)對這些外界環(huán)境變化,以利于定植和繁殖。某些胞外信號可能影響毒力的變化。隱球菌感受并傳遞胞外信號調(diào)整自身生理活動需要復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)。
在進(jìn)化過程中,真菌類生物已經(jīng)發(fā)展了復(fù)雜而敏感的適應(yīng)機(jī)制,使它們能夠通過適當(dāng)?shù)募?xì)胞內(nèi)信號活動來適應(yīng)外部環(huán)境的變化。促分裂原蛋白激酶(MAPK)級聯(lián)反應(yīng)是細(xì)胞適應(yīng)機(jī)制中的重要部分之一。MAPK通路由三種序列活化激酶組成。促分裂原活化蛋白激酶激酶激酶(MAPKKK)激活并活化促分裂原活化蛋白激酶激酶 (MAPKK),隨后MAPKK激活促分裂原活化蛋白激酶 (MAPK)。在釀酒酵母菌中,已發(fā)現(xiàn)至少五種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑包含MAPK級聯(lián)反應(yīng):細(xì)胞壁完整性通路、孢子壁組裝通路、菌絲生長通路、信息素反應(yīng)通路、高滲透性甘油通路,分別調(diào)節(jié)其生長、形態(tài)改變、繁殖和應(yīng)激反應(yīng)[6]。白念珠菌是最常見的侵襲性真菌,MAPK通路在白念珠菌的致病機(jī)制中的作用可能是介導(dǎo)白念珠菌感染中關(guān)鍵的形態(tài)學(xué)變化:酵母相向菌絲相的轉(zhuǎn)換[7-8]。通過基因?qū)W分析和表型鑒定發(fā)現(xiàn)白念珠菌中存在三種MAPK通路:Mkc1(Mitogen-activated protein kinase)介導(dǎo)的細(xì)胞壁完整性通路、Cek1/2(Candida extracellular regulated protein kinases-like kinase)介導(dǎo)的交配和絲化通路和 Hog1介導(dǎo)的高滲透性甘油通路。
近來,越來越多的證據(jù)表明,隱球菌的MAPK系統(tǒng)與釀酒酵母菌和白念珠菌有高度的相似,然而隱球菌的MAPK通路在毒力調(diào)控方面同時(shí)又具有一些自身獨(dú)特的表現(xiàn)。類似的MAPK通路也在隱球菌與宿主的生存中發(fā)揮重要作用,如莢膜合成、形態(tài)轉(zhuǎn)換等[9],但已有的隱球菌MAPK通路的研究僅限于新生隱球菌血清A型、D型兩種菌株,且該通路在兩種菌株有血清特異性。
隱球菌的MAPK通路包括HOG-MAPK通路、PKC-MAPK通路及Ste12轉(zhuǎn)錄基因通路[10]。這些MAPK途徑既可特異性的調(diào)節(jié)相關(guān)毒力因子,又與其他途徑協(xié)同調(diào)節(jié)細(xì)胞壁的完整性、在37℃生長的能力、莢膜與黑素的生成、交配與絲化、以及對高滲應(yīng)激、氧化應(yīng)激和紫外線的抵抗。
PKC/Mpk1-MAPK通路主要調(diào)節(jié)細(xì)胞壁完整性和高溫下生長,在新生隱球菌抵抗?jié)B透壓、高溫、氧化應(yīng)激和硝酸化等壓力中扮演重要角色,也在莢膜和黑素生成中發(fā)揮作用。此通路的關(guān)鍵成分包括小 GTP結(jié)合蛋白Rho1、Pkc1、Bck1(MAPKKK)、Mkk1(MAPKK)、Mpk1(MAPK),其中 Mpk1 誘導(dǎo)下游組分影響毒力特征。
在白念珠菌中,Mkc1(Mpk1類似物)參與維持細(xì)胞壁合成和保持細(xì)胞壁穩(wěn)定[8]。在新生隱球菌中也發(fā)現(xiàn)類似途徑協(xié)同參與應(yīng)對高溫反應(yīng)[11]。該途徑的核心成分是Mpk1,參與維持細(xì)胞壁的穩(wěn)定性,是新生隱球菌在37℃下生長的重要影響因子。當(dāng)隱球菌處于氧化應(yīng)激等細(xì)胞壁受損條件下時(shí),Mpk1被磷酸化激活。激活的Mpk1完全依賴Pkc1發(fā)揮壓力應(yīng)對反應(yīng)。新生隱球菌Mpk1△突變株在小鼠隱球菌病模型中表現(xiàn)出毒力下降[11]和對抗菌藥物敏感性的增加[12]。pkc1 突變株對吡咯類抗真菌藥物的敏感性增加,提示該途徑可能參與新生隱球菌的藥物抵抗。Bahn等還發(fā)現(xiàn) Bck1△、Mkk1△、Mpk1△突變株都表現(xiàn)出對氧化應(yīng)激、高溫、抗菌藥物相似的高敏感性,說明這3種基因處于同一信號傳導(dǎo)通路之中[13]。Gerik等發(fā)現(xiàn)Pkc1△突變株中,幾丁質(zhì)和殼聚糖的錨 定 受 損。Pkc1△突 變 株 和 Bck1△、Mkk1△、Mpk1△突變株的細(xì)胞壁都受到損害,但Pkc1突變株的損害更為嚴(yán)重[14]。另外研究發(fā)現(xiàn),Pkc1△突變株表現(xiàn)出了莢膜缺陷和黑素的減少,而Bck1△、Mkk1△、Mpk1△缺陷株的上述毒力特征并沒有受到影響。研究表明在Pkc1-MAPK通路外,Pkc1可能通過調(diào)節(jié)多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路或者Pkc1下游存在某種代償途徑來維持細(xì)胞壁的穩(wěn)定。
幾丁質(zhì)是細(xì)胞壁重要組成部分,有研究發(fā)現(xiàn)白念珠菌編碼幾丁質(zhì)合成酶基因的調(diào)節(jié)依賴與三種信號途徑:鈣調(diào)蛋白、PKC和 HOG途徑[15-16],這些信號途徑并不獨(dú)立發(fā)揮作用,而是構(gòu)成交叉、反饋和補(bǔ)償機(jī)制組成的相互協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)。細(xì)胞壁的合成和完整性可以有效應(yīng)對氧化和氮化應(yīng)激反應(yīng),對真菌的生存至關(guān)重要。Kojima等[17]發(fā)現(xiàn)吡咯類抗真菌藥物引起野生株細(xì)胞腫脹、染色質(zhì)分裂異常,而Hog1突變株無變化,提示Hog基因在激活狀態(tài)下可能會導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)異常。鈣調(diào)蛋白突變株對吡咯類抗真菌藥物敏感,且吡咯類抗真菌藥物和鈣調(diào)蛋白抑制劑FK506可以協(xié)同抑制新生隱球菌生長,提示Mpk1和鈣調(diào)蛋白可能協(xié)同調(diào)節(jié)新生隱球菌細(xì)胞壁完整性從而影響其藥物敏感性。故hog1是否亦參與了Pkc1對這些應(yīng)激的反應(yīng)值得進(jìn)一步研究證明。另外磷脂酶C也可活化PKC/MAPK信號級聯(lián),磷脂酶C亦介導(dǎo)肌醇-1,4,5-三磷酸鹽的生成,后者作為第二信使在Ca2+途徑中起作用發(fā)揮對細(xì)胞壁完整性的調(diào)節(jié)。而磷脂酶C突變株在調(diào)節(jié)黑素生成、37℃下生長等致病因子方面存在缺陷。
HOG-MAPK通路是酵母菌在高滲壓力環(huán)境中生存所必須的。真菌生長環(huán)境的滲透壓變化形式多樣,在高濃度糖條件下成熟繁殖為其特征。由于酵母菌是非運(yùn)動性的,不能逃離有害的環(huán)境,它們必須要通過不斷調(diào)節(jié)胞內(nèi)的活動來適應(yīng)外部滲透壓力的升高變化,其中涉及多種途徑來提高內(nèi)部滲透壓,如合成和保留兼容的等滲物質(zhì)比如甘油等[18],調(diào)節(jié)水分的外流,調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的變化。
白念珠菌HOG-MAPK通路至少涉及三種相對獨(dú)立的過程:對外界壓力的反應(yīng)和適應(yīng)、形態(tài)轉(zhuǎn)化、細(xì)胞壁合成,該通路涉及多種組氨酸激酶,但具體作用機(jī)制不明。釀酒酵母的壓力應(yīng)激反應(yīng)由高滲透性甘油促分裂原蛋白激酶信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的促有絲分裂原蛋白激酶Hog1調(diào)節(jié)[19],Hog1p是其中關(guān)鍵因子。在高滲透性條件下,信號通過兩條途徑匯合,激活MAPKK(Pbs2),后者轉(zhuǎn)而激活特異性Hog1。激活的Hog1進(jìn)入細(xì)胞核,調(diào)控脅迫應(yīng)答相關(guān)基因的表達(dá) (如甘油合成基因)來應(yīng)對高滲壓力,并介導(dǎo)該時(shí)期細(xì)胞周期的阻滯,從而增強(qiáng)細(xì)胞對外界不利環(huán)境的適應(yīng)能力。
新生隱球菌HOG通路保留其他真菌的這些特征,同時(shí)有具備自身的特點(diǎn)。新生隱球菌D型菌株的HOG通路與其他真菌類似,在正常條件下,Hog1基因處于去磷酸化狀態(tài)。而大部分新生隱球菌株中,Hog1基因在正常條件下處于磷酸化狀態(tài),當(dāng)出現(xiàn)高滲壓力時(shí),Hog1基因迅速去磷酸化。有趣的是,磷酸化與壓力抵抗性和毒力相關(guān),Hog1磷酸化越多,壓力抵抗性越高[12-13,20-21]。且有研究發(fā)現(xiàn)新生隱球菌血清A型菌株H99對滲透反應(yīng)的抵抗力高于血清 D 型菌株 JEC21[22]。Bahn 等[21]發(fā)現(xiàn)Pbs2在Hog1的磷酸化中發(fā)揮重要作用。Hog1的磷酸化高度依賴于Pbs2,因?yàn)镻bs2△缺陷株和Hog1△缺陷株表現(xiàn)出了高度相似性的表型。另外還發(fā)現(xiàn)正常條件下磷酸化的Hog1基因可能參與負(fù)性調(diào)解毒力因子如莢膜和黑素的生成、性分化,這可能是通過與cAMP信號通路和信息素轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的交叉作用來調(diào)解的,例如與野生菌株相比,hog1突變株和pbs2突變株的毒力降低。由于兩種突變菌株的莢膜合成和黑素產(chǎn)生升高,但是卻表現(xiàn)出毒力的減弱,推測在毒力升高的作用上,菌株對壓力應(yīng)激能力及敏感性的增高能夠抵消一些莢膜、黑素合成增加所造成的毒力變化。但是正常條件下去磷酸化Hog1基因的新生隱球菌菌株如JEC21卻沒有這種表現(xiàn)。
雙組分信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模式已經(jīng)引起了醫(yī)學(xué)真菌界的重視[23],此模式構(gòu)成釀酒酵母HOG信號級聯(lián)的上游途徑。雖然關(guān)于新生隱球菌HOG信號途徑上游部分的具體結(jié)構(gòu)還不明確,其中可能包括七種感受因子激酶,Tco1-Tco7(two-components-like proteins),Ypd1 和反應(yīng)調(diào)節(jié)因子 Ssk1 和 Skn7[13]。Ssk1是主要的的上游信號調(diào)節(jié)因子。Skn7主要參與高鹽和氧化應(yīng)激反應(yīng)、黑素生成和毒力的調(diào)節(jié)[24]。在血清型D菌株的研究中,Skn7可能通過抵抗溶酶體殺傷而協(xié)助菌體在溶酶體內(nèi)生存[25]。在上述七種Tco蛋白中,Tco1和Tco2在磷酸化傳遞系統(tǒng)中扮演最重要作用,兩者在對抗真菌藥物吡咯類的敏感性方面有同樣作用[13]。并且還發(fā)現(xiàn),Tco1參與黑素合成及毒力如性分化的調(diào)節(jié),而Tco2在保護(hù)細(xì)胞壁免遭受氧化應(yīng)激中發(fā)揮部分作用。因此推測雙組分信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模式調(diào)節(jié)壓力反應(yīng)、藥物敏感性、有性繁殖和毒力變化。
Ste12主要參與調(diào)節(jié)酵母菌信息素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,在釀酒酵母和白念珠菌中調(diào)節(jié)其交配、絲化和毒力。Ste12基因編碼Ste12蛋白,后者在釀酒酵母菌MAPK通路參與調(diào)節(jié)交配過程。在白念珠菌中,該蛋白通路涉及形態(tài)轉(zhuǎn)換和絲化過程,在白念珠菌侵襲性擴(kuò)散中發(fā)揮重要作用。類似Ste12基因同樣存在在隱球菌中,調(diào)控MAPK交配通路。Ste12基因存在于交配基因位點(diǎn)內(nèi),包括Ste12α和Ste12a兩型,分別特異存在于α細(xì)胞和a細(xì)胞中。Ste12基因參與交配和菌絲生長過程,但并不發(fā)揮關(guān)鍵作用[26-27],可控制已知相關(guān)毒力基因如莢膜和黑素相關(guān)基因的表達(dá)[26,28-29],而Ste12α株一般比 Ste12a株毒力更強(qiáng)[30]。Davidson及其他一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)新生隱球菌MAPK交配通路的上游成分并不調(diào)控毒力變化,Ste12α或者Ste12a 的缺失可導(dǎo)致交配頻率降低[26,29]。另有研究發(fā)現(xiàn),在血清A型菌株中Ste12的缺失未表現(xiàn)出毒力的變化,而在血清D型中卻表現(xiàn)為毒力的減弱[29,31]。但是在格特隱球菌中,敲除同樣的基因卻可導(dǎo)致嚴(yán)重的毒力下降[32]??芍琒te12參與菌株毒力的調(diào)控,但卻不是交配通路調(diào)節(jié)中所必須的,而且存在菌株間差異。
Davidson等[27]發(fā)現(xiàn),通過交換彼此相反交配型菌株的基因,Ste12α和Ste12a可以互補(bǔ)彼此功能。但是,在菌絲的形成中,Ste12a在Ste12α突變菌株中的表達(dá)比Ste12α在Ste12a突變菌株中的表達(dá)更有效,表明Ste12基因在單倍子實(shí)體的作用可能受到其他基因等因素影響。在同一研究中發(fā)現(xiàn),Ste12α和Ste12a調(diào)控感染老鼠腦脊液涂片中酵母細(xì)胞壁莢膜生長的大小,并且兩者影響一些毒力相關(guān)基因的表達(dá)。但目前還無法明確α基因在a交配型菌株中的表達(dá)是否會增強(qiáng)其毒力,或a基因在α交配型菌株中的表達(dá)是否會減損其毒力,兩者之間互補(bǔ)彼此功能的機(jī)制仍有待證實(shí)。
病原真菌的MAPK途徑對于其在宿主內(nèi)的生存和繁殖具有重要作用。這些MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路以一系列磷酸化級聯(lián)反應(yīng)為特征,調(diào)節(jié)真菌的致病性、細(xì)胞壁合成和完整性、細(xì)胞生長、絲化、交配及應(yīng)對外界應(yīng)激的反應(yīng)。由于這些途徑內(nèi)部存在高度的特異化,如交配型特異性和血清型特異性,因此導(dǎo)致菌株間毒力的不同。參考其他真菌如釀酒酵母和白念珠菌中這些級聯(lián)反應(yīng)的類似組分的已知作用,有助于我們?nèi)ヌ綄に鼈冊陔[球菌致病機(jī)制中的功能。隱球菌胞內(nèi)存在多種MAPK信號通路,在不同的條件下由不同的外界應(yīng)激所激活,不同的MAPK通路調(diào)節(jié)不同毒力因子的變化,發(fā)揮不同功能,如ste12、HOG、PKC三條通路分別在繁殖和侵襲性生長、高滲透壓力、細(xì)胞壁完整性中發(fā)揮關(guān)鍵作用,而HOG和PKC均在氧化應(yīng)激和氮化應(yīng)激條件發(fā)揮重要作用。同時(shí),三種途徑都調(diào)控莢膜合成和黑素的產(chǎn)生。在MAPK途徑之間及與其他途徑之間,也存在著交叉,反饋及補(bǔ)償機(jī)制,這些在動物感染模型中通過去除菌株中這些級聯(lián)反應(yīng)的某些基因成分而導(dǎo)致致病性減弱的實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)出來,但是,關(guān)于這種相關(guān)性在不同宿主體內(nèi)是否相同,需要更多研究去證實(shí)。
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