微生物感染與細(xì)胞凋亡相互作用研究進(jìn)展

高文暄

(華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 上海 200241)

1 微生物感染與細(xì)胞凋亡的一般關(guān)系

細(xì)胞凋亡是機(jī)體的一種重要生理機(jī)制，是自然發(fā)生的細(xì)胞死亡過程。細(xì)胞凋亡受基因調(diào)控，在生物個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育過程中發(fā)揮著特殊作用，貫穿機(jī)體整個(gè)生命活動(dòng)過程，能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)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(jī)體免疫系統(tǒng)會(huì)采用多種方式對(duì)微生物感染做出反應(yīng)，主要包括激活炎癥、招募免疫細(xì)胞到感染部位、在黏膜表面產(chǎn)生抗菌肽以及激活補(bǔ)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(xì)胞死亡信號(hào)通路就會(huì)被激活以消除被感染的細(xì)胞： 破壞病原微生物生長(zhǎng)繁殖的胞內(nèi)環(huán)境，使細(xì)胞內(nèi)的病原體暴露于機(jī)體的免疫環(huán)境中[2]并被巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞吞噬；這兩種吞噬細(xì)胞接著會(huì)傳遞相關(guān)抗原給T細(xì)胞，促進(jìn)特異性免疫系統(tǒng)的活化。

另一方面，在長(zhǎng)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(xì)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(jī)體細(xì)胞的凋亡過程，從而逃避機(jī)體免疫細(xì)胞的殺傷清除作用(這會(huì)導(dǎo)致感染的擴(kuò)散及加重)；②誘導(dǎo)和增強(qiáng)機(jī)體細(xì)胞的凋亡，使細(xì)胞功能喪失(這會(huì)導(dǎo)致一系列病理改變，出現(xiàn)臨床病癥)。

細(xì)胞凋亡不僅是免疫系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)，同時(shí)是決定相關(guān)臨床進(jìn)展及疾病嚴(yán)重程度的主要因素。被感染的宿主細(xì)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(xì)胞的內(nèi)在凋亡通路可限制兼性細(xì)胞內(nèi)病原體的復(fù)制，細(xì)胞凋亡有缺陷或誘導(dǎo)延遲會(huì)促進(jìn)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(xì)胞內(nèi)源途徑中，誘導(dǎo)抗凋亡的B淋巴細(xì)胞瘤-2基因(Bcl-2)家族成員髓樣白血病-1基因(Mcl-1)過表達(dá)可阻止Mcl-1轉(zhuǎn)基因小鼠有效清除肺炎球菌[5]；宿主細(xì)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(jī)制，因?yàn)榧?xì)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(hù)宿主細(xì)胞，因?yàn)椴《竞图?xì)菌可以利用宿主的凋亡機(jī)制來消除免疫應(yīng)答所需的細(xì)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(xì)胞凋亡機(jī)制的毒性因子。在這些情況下，疾病發(fā)病機(jī)制被擴(kuò)大并且組織損傷顯著加劇。

2 病毒感染與細(xì)胞凋亡

病毒感染與細(xì)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(xì)胞凋亡可以清除病毒，避免疾病的發(fā)生，從而維護(hù)機(jī)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(xì)胞凋亡，進(jìn)而可以使其在機(jī)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(jiǎn)而言之，兩者相互作用過程包含復(fù)雜的調(diào)控信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和促進(jìn)/阻遏效應(yīng)[6]。

2.1 病毒感染誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡 病毒感染誘導(dǎo)靶細(xì)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(xì)胞凋亡;②病毒編碼的產(chǎn)物誘導(dǎo)凋亡基因表達(dá)、激活caspase途徑、上調(diào)Fas L/Fas和TNF-α/TNFR-1的表達(dá)，間接誘導(dǎo)靶細(xì)胞凋亡[3]。病毒通過這兩種方式保證其在機(jī)體細(xì)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(jìn)靶細(xì)胞凋亡。例如，乙型肝炎病毒(HBV)的X基因(HBx)所表達(dá)的HBx蛋白能夠觸發(fā)HBV感染的肝細(xì)胞凋亡。人類免疫缺陷病毒(HIV)的包膜蛋白gpl20與CD4+T細(xì)胞表面的CD4分子結(jié)合，通過傳遞異常信號(hào)誘導(dǎo)CD4+T細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致CD4+T細(xì)胞減少而CD8+T增多，引起以CD4分子細(xì)胞缺損和功能障礙為中心的嚴(yán)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(xì)胞凋亡： 很多病毒可通過模擬某些細(xì)胞因子、細(xì)胞因子的受體或者細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)的構(gòu)成元件，來編碼自身蛋白，啟動(dòng)細(xì)胞死亡的上游信號(hào)或細(xì)胞的相關(guān)基因表達(dá)，從而破壞細(xì)胞的正常生理代謝功能，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[8]。實(shí)驗(yàn)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(dá)，引起肝細(xì)胞凋亡。P53的產(chǎn)物主要存在于細(xì)胞核內(nèi)，積累時(shí)可促進(jìn)細(xì)胞凋亡，而當(dāng)其缺乏時(shí)則會(huì)引起腫瘤細(xì)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(xì)胞，被感染的細(xì)胞內(nèi)P53的表達(dá)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(jī)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(xì)胞中的一系列底物導(dǎo)致細(xì)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(hào)首先活化上游的caspase啟動(dòng)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(xì)胞凋亡[3]。據(jù)研究，風(fēng)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(xì)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(jìn)死亡受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)來促進(jìn)凋亡，包括Fas L/Fas途徑和TNF/TNFR途徑，兩者均可以引起細(xì)胞凋亡的死亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。因此病毒通過相關(guān)表達(dá)產(chǎn)物影響細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)通路，上調(diào)Fas L/Fas和TNF-α/TNFR-1的表達(dá)可以間接誘導(dǎo)靶細(xì)胞凋亡。

2.2 病毒感染抑制細(xì)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(jìn)一步抑制宿主細(xì)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(xì)胞凋亡，其中涉及絲氨酸蛋白酶抑制劑、細(xì)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(shí)，病毒可產(chǎn)生很多種表達(dá)產(chǎn)物(主要是蛋白質(zhì))，來抑制Fas L/Fas和TNF-α/TNFR-1的表達(dá)。這些蛋白質(zhì)主要是通過模擬各種信號(hào)因子或受體的某些區(qū)域，從而與相應(yīng)的配體或配基競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合，阻斷死亡信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)，抑制細(xì)胞凋亡。

3 細(xì)菌感染與細(xì)胞凋亡

細(xì)菌屬于原核生物，可分為胞內(nèi)寄生菌和胞外寄生菌。細(xì)菌可引起人類各種感染性疾病，1992年首次發(fā)現(xiàn)細(xì)菌可以引起受感染的宿主細(xì)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(xì)菌感染對(duì)細(xì)胞凋亡既有抑制作用也有促進(jìn)作用： 細(xì)菌與宿主細(xì)胞，特別是與宿主骨髓細(xì)胞系的細(xì)胞(如單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹突細(xì)胞)相互作用時(shí)，可以通過相關(guān)細(xì)胞因子輸入大量信號(hào)給宿主細(xì)胞，這些信號(hào)同時(shí)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(xì)菌與細(xì)胞凋亡 細(xì)菌不同的生活方式對(duì)凋亡具有不同影響。由于有關(guān)細(xì)菌與細(xì)胞凋亡的研究較少，細(xì)菌本身的分類也較為雜亂，因此以下僅簡(jiǎn)要說明兩類革蘭氏細(xì)菌與細(xì)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(xì)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(xì)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(huì)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(xì)胞發(fā)生凋亡；并會(huì)進(jìn)一步引起小鼠CD+4T和CD+8T淋巴細(xì)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(duì)TNF誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡有明顯抑制作用，即在一定程度上，起到抑制細(xì)胞凋亡的作用，這有利于細(xì)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(jī)體細(xì)胞凋亡，在造成細(xì)菌擴(kuò)散的同時(shí)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(xì)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(xì)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(shí)，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(dá)實(shí)現(xiàn)的[12]。

3.2 細(xì)菌成分導(dǎo)致的凋亡誘導(dǎo)和抑制 雖然不同種類的細(xì)菌對(duì)細(xì)胞凋亡的影響不同，但細(xì)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(xì)胞凋亡呢？

哺乳動(dòng)物細(xì)胞主要是根據(jù)細(xì)菌的成分來完成對(duì)細(xì)菌的識(shí)別，如細(xì)菌的脂多糖(LPS)和脂磷壁酸。該識(shí)別過程涉及到很多細(xì)胞因子及信號(hào)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(huì)引發(fā)復(fù)雜的細(xì)胞反應(yīng)，包括轉(zhuǎn)錄因子NF-κB家族成員和各種激酶信號(hào)傳導(dǎo)途徑的激活[13]。實(shí)驗(yàn)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(xì)胞抑制劑以及c-FLIP等?，F(xiàn)已提出了多種反饋調(diào)節(jié)途徑，根據(jù)對(duì)這些途徑的分析，發(fā)現(xiàn)凋亡可能會(huì)干擾NF-κB的信號(hào)傳送，NF-κB調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物也可增強(qiáng)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(hào)途徑對(duì)細(xì)胞凋亡有著重要意義。

除此之外，在許多情況下細(xì)菌產(chǎn)物可阻止細(xì)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(xì)胞自發(fā)性死亡。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌產(chǎn)物的作用機(jī)理也和NF-κB活性提高有關(guān)。

4 結(jié)語

細(xì)胞凋亡是多細(xì)胞機(jī)體生命活動(dòng)不可缺少的一部分，由各種各樣的分子刺激啟動(dòng)。隨著對(duì)細(xì)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(xì)胞程序性死亡的機(jī)制非常復(fù)雜，兩者存在一種微妙的平衡。

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