宿主細(xì)胞利用異噬防御細(xì)菌感染的研究進(jìn)展

張春晨

摘要??自噬是一種進(jìn)化上古老且高度保守的真核生物機(jī)制，該機(jī)制在維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和應(yīng)對各種環(huán)境條件方面起著至關(guān)重要的作用。異噬屬于自噬的一種，由于其主要吞噬和降解的對象為入侵病原體，故將其稱為異噬。在分子水平上綜述了不同細(xì)菌入侵細(xì)胞后觸發(fā)的細(xì)胞異噬清除機(jī)制及其在國內(nèi)外的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞??自噬;異噬;細(xì)菌感染;抗菌免疫

中圖分類號??Q25文獻(xiàn)標(biāo)識碼??A

文章編號??0517-6611（2020）04-0008-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.04.002

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Advances in Research on Host Cells Using Xenophagy to Protect against Bacterial Infection

ZHANG Chun-chen??（School of Biotechnology and Food Science，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134）

Abstract??Autophagy is an evolutionarily ancient and highly conserved eukaryotic mechanism that plays a vital role in maintaining cell homeostasis and coping with various environmental conditions.Xenophagy is a kind of autophagy，which is called a xenophagy because its main phagocytosis and degradation are invading pathogens.At the molecular level，we reviewed the mechanism of cellular xenophagy clearance triggered by different bacterial invading cells and its research progress at domestic and foreign.

Key words??Autophagy;Xenophagy;Bacterial infection;Antibacterial immunity

異噬（xenophagy）是Levine在2005年正式提出的概念[1]，屬于宿主細(xì)胞自噬（autophagy）作用的一種，由于主要吞噬和降解的對象為入侵病原體，故將其稱為異噬。自噬被認(rèn)為是一種進(jìn)化上保守的真核生物機(jī)制，真核細(xì)胞可利用其將自身胞質(zhì)蛋白或細(xì)胞器等組分降解以維持細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)環(huán)境[2-4]。與泛素-蛋白酶體降解系統(tǒng)不同，自噬可以降解相對較大的底物，包括蛋白質(zhì)聚集體，細(xì)胞器或入侵病原體等[1]。在營養(yǎng)缺乏條件下，細(xì)胞通過自噬降解蛋白質(zhì)和其他大分子，從而為自身合成代謝提供必需的營養(yǎng)物質(zhì)[5-6]。此外，自噬還可在缺氧、氧化應(yīng)激以及輻射等條件下被誘導(dǎo)[9]。

根據(jù)自噬降解方式的不同，其可分為3種類型：分子伴侶介導(dǎo)的細(xì)胞自噬（chaperone-mediated autophagy，CMA），微自噬（microautophagy）和巨自噬（macroautophagy）。CMA是由熱休克蛋白（HSC70）介導(dǎo)的在溶酶體中降解細(xì)胞溶質(zhì)蛋白的選擇性自噬降解過程[7];微自噬是通過溶酶體膜的內(nèi)陷直接將臨近細(xì)胞質(zhì)攝入溶酶體內(nèi)，從而將所攝入內(nèi)容物降解[8];而巨自噬為溶酶體與含有待降解物的囊泡融合進(jìn)而將其內(nèi)組分降解，其中涉及細(xì)胞內(nèi)多種組分，例如多肽、細(xì)胞器、細(xì)胞內(nèi)蛋白聚集體和病原體等，宿主細(xì)胞通過巨自噬降解入侵病原體的過程又稱為異噬作用[9]。

在病原體入侵細(xì)胞之初，宿主細(xì)胞膜上Toll樣受體（Toll-like receptors，TLR）可對不同微生物病原體相關(guān)模式分子（pathogen-associated molecular patterns，PAMP）進(jìn)行識別，從而引發(fā)異噬。在侵入細(xì)胞后，病原體經(jīng)泛素化信號通路被泛素化，之后在銜接蛋白（p62、NDP52和NBR1等）的作用下被募集至異噬體中，后者與溶酶體融合形成異噬溶酶體從而將病原體降解。不同微生物被異噬作用降解的分子機(jī)制略有不同，該研究綜述了侵入性細(xì)菌，例如結(jié)核分枝桿菌、鼠傷寒沙門氏菌、福氏志賀氏菌和化膿性鏈球菌等通過宿主異噬防御機(jī)制被清除的分子機(jī)制。

1??宿主細(xì)胞利用異噬防御細(xì)菌感染的分子機(jī)制

1.1??結(jié)核分枝桿菌誘導(dǎo)的異噬機(jī)制

結(jié)核分枝桿菌是第一個被鑒定出能夠誘導(dǎo)異噬的細(xì)菌[11]。研究表明，在感染巨噬細(xì)胞初期，結(jié)核分枝桿菌仍可在宿主細(xì)胞的吞噬泡內(nèi)存活。隨著細(xì)菌的增殖，吞噬泡形成異噬體的過程受到抑制，阻礙了異噬體與溶酶體的融合從而阻斷異噬流[12]。但在各種外源性刺激的誘導(dǎo)下異噬作用仍會發(fā)生，例如營養(yǎng)缺乏、Toll樣受體（TLR）[13]信號傳導(dǎo)、干擾素（IFN）-γ[11]、雷帕霉素[14]和維生素D的作用[15]等。這些外源性刺激通過促進(jìn)吞噬泡酸化有效地增強(qiáng)了異噬作用，從而抑制巨噬細(xì)胞中結(jié)核分枝桿菌的繁殖。此外，即使沒有外源刺激，在感染后期大約30%的細(xì)菌也能通過與LC3和ATG12的相互作用被宿主細(xì)胞選擇性地靶向清除[16]。其中所涉及的分子機(jī)制仍然知之甚少，但現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)2種重要的異噬信號傳導(dǎo)途徑。

一種信號傳導(dǎo)途徑為結(jié)核分枝桿菌通過其VII型分泌系統(tǒng)ESX-1分泌的效應(yīng)蛋白ESAT-6（early secreted antigenic target of 6 kDa）破壞宿主細(xì)胞吞噬泡進(jìn)而誘導(dǎo)異噬。結(jié)核分枝桿菌從破潰的吞噬泡中逃逸至宿主細(xì)胞胞漿，激活STING/TBK-1/IRF3途徑啟動異噬，從而導(dǎo)致IFN-β分泌以及細(xì)菌蛋白質(zhì)的泛素化[15]。泛素化過程涉及E3泛素連接酶Parkin，其在異噬過程中的泛素化底物尚不明確，但研究表明，Parkin通過Lys63多聚泛素蛋白鏈標(biāo)記細(xì)菌后，泛素化的細(xì)菌與銜接蛋白p62（也稱為SQSTM1），NDP52和異噬體修飾物L(fēng)C3共定位并被遞送至異噬通路，從而細(xì)菌被降解[15]。此外，Manzanillo[16]發(fā)現(xiàn)Parkin在體外和體內(nèi)均能抑制結(jié)核分枝桿菌的繁殖，表明Parkin在泛素化結(jié)核分枝桿菌誘導(dǎo)的異噬過程中起重要作用。

另一種信號傳導(dǎo)途徑是結(jié)核分枝桿菌激活宿主細(xì)胞TLR/白細(xì)胞介素-1受體（IL1R）-MYD88-NF-κB先天免疫傳感途徑，在銜接蛋白p62以及細(xì)胞溶質(zhì)內(nèi)DNA傳感器STING（stimulator of interferon genes）的協(xié)助下，促進(jìn)DRAM1（DNA damage-regulated autophagy modulator 1）的表達(dá)，引發(fā)異噬。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，DRAM1的沉默會使巨噬細(xì)胞抵御結(jié)核分枝桿菌的能力降低，而其過度表達(dá)則會顯著增強(qiáng)異噬作用從而導(dǎo)致感染降低[17]。

1.2??鼠傷寒沙門氏菌誘導(dǎo)的異噬機(jī)制??由圖1可知，鼠傷寒沙門氏菌侵入腸上皮細(xì)胞后主要以2種方式存在[18]，一部分鼠傷寒沙門氏菌被沙門氏菌內(nèi)含小泡SCV（Salmonella-containing vacuole）包被，另一部分鼠傷寒沙門氏菌會從破潰的SCV中逃逸出來游離于宿主細(xì)胞胞漿中，并以較快的速度繁殖，將其稱為超級繁殖（hyper-replication）菌[19]。SCV包被的鼠傷寒沙門氏菌會在SCV中繼續(xù)生長繁殖，直至一部分細(xì)菌通過其致病島1 III型分泌系統(tǒng)（salmonella pathogenicity island 1 type III secretion system，SPI-1 T3SS）分泌效應(yīng)蛋白對SCV膜打孔，破壞SCV膜的完整性，從而使沙門氏菌逃逸到胞質(zhì)溶膠中[20]形成游離沙門氏菌，游離沙門氏菌與破潰的SCV膜均可引起宿主細(xì)胞異噬反應(yīng)。

異噬過程中涉及到E3泛素連接酶LRSAM1識別細(xì)菌的富含亮氨酸重復(fù)序列（leucine rich repeat，LRR）并泛素化細(xì)菌，LRSAM1與沙門氏菌共定位，被泛素化的細(xì)菌招募銜接蛋白進(jìn)入異噬流，從而減弱了宿主細(xì)胞胞質(zhì)中游離鼠傷寒沙門氏菌的繁殖[21]。除LRSAM1外，線粒體自噬相關(guān)的E3泛素連接酶Parkin也參與了鼠傷寒沙門氏菌的異噬清除[22]，但其具體分子機(jī)制尚不清楚。

被泛素化的鼠傷寒沙門氏菌招募的銜接蛋白主要有3種。從圖1可以看出，沙門氏菌入侵細(xì)胞后，細(xì)胞質(zhì)中的細(xì)菌被泛素化蛋白修飾，這使得它們可以招募p62，然后p62通過與LC3的相互作用將細(xì)菌靶向異噬體[23]。第2種銜接蛋白Optineurin也具有抗沙門氏菌感染的作用，因其先天免疫受體TANK結(jié)合激酶1（TBK1）的磷酸化增加了LC3對沙門氏菌結(jié)合位點(diǎn)的親和力，從而加強(qiáng)了細(xì)菌的消除[24]。參與異噬消除沙門氏菌的第3種銜接蛋白是NDP52（圖1），NDP52在識別受損的SCV膜過程中起關(guān)鍵作用。一方面，NDP52能夠檢測細(xì)胞質(zhì)中帶有多聚泛素化蛋白的沙門氏菌，從而使細(xì)菌在泛素依賴性降解途徑中被降解[25]。另一方面，在SCV膜破損后，存在于SCV膜內(nèi)部的β-半乳糖苷暴露于胞質(zhì)溶膠中，然后被胞質(zhì)內(nèi)半乳糖結(jié)合凝集素8（Galectin-8，GAL8）作為感受器感知并結(jié)合。GAL8隨后結(jié)合NDP52，致使LC3修飾的異噬體募集破損的SCV并使其降解。值得注意的是，在該途徑中，NDP52由GAL8募集，而不是由泛素化蛋白募集[26]。

1.3??福氏志賀氏菌誘導(dǎo)的異噬機(jī)制

福氏志賀氏菌入侵宿主細(xì)胞（上皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞）后不久，便可脫離吞噬泡，在宿主細(xì)胞胞質(zhì)中進(jìn)行復(fù)制[27]。在胞質(zhì)溶膠中，福氏志賀氏菌募集肌動蛋白相關(guān)蛋白2/3（actin related protein 2/3，Arp2/3）復(fù)合物和N-WASP以誘導(dǎo)基于肌動蛋白的細(xì)胞間感染[28]，且該過程可被外膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白IcsA所促進(jìn)。

在感染細(xì)胞后，福氏志賀氏菌通過2種途徑被宿主細(xì)胞異噬作用降解。一種為非泛素蛋白依賴性降解途徑，在該途徑中，ATG5通過識別IcsA，觸發(fā)隔離膜的形成以包被細(xì)菌，而后ATG5與TECPR1結(jié)合，后者在與PI3P和WIPI-2相互作用下，促進(jìn)細(xì)菌被招募至LC3修飾的異噬體內(nèi)，進(jìn)行異噬消滅[29]。Nagatake等[30]也發(fā)現(xiàn)在TECPR1缺陷的小鼠胚胎成纖維細(xì)胞中，福氏志賀氏菌誘導(dǎo)的選擇性異噬存在缺陷，導(dǎo)致胞內(nèi)福氏志賀氏菌大量繁殖，表明了TECPR1在異噬通路中的重要性。另一種為泛素蛋白依賴性降解途徑，在該途徑中，GTP結(jié)合蛋白Septins組裝成非極性細(xì)絲、與肌動蛋白絲、微管和細(xì)胞膜結(jié)合[31]形成復(fù)合體，作為細(xì)胞骨架成分并被募集到由IcsA誘導(dǎo)的肌動蛋白聚合位點(diǎn)，形成籠狀結(jié)構(gòu)，從而捕捉胞質(zhì)中的細(xì)菌，在泛素連接酶、銜接蛋白p62和NDP52的作用下，于LC3修飾的異噬體中將細(xì)菌降解[32-33]。另外，研究發(fā)現(xiàn)在斑馬魚中同樣存在septin籠，表明其在進(jìn)化上是一種保守的宿主防御成分[34]。

1.4??化膿性鏈球菌誘導(dǎo)的異噬機(jī)制

化膿性鏈球菌，也稱為A族鏈球菌（GAS），研究發(fā)現(xiàn)，其侵入HeLa細(xì)胞后可在外毒素鏈球菌溶血素O（SLO）介導(dǎo)下從內(nèi)體逃逸到細(xì)胞質(zhì)中[35]，同時SLO也誘導(dǎo)異噬的發(fā)生[36]。Sakurai等[35]利用SLO基因缺失型GAS感染HeLa細(xì)胞后，發(fā)現(xiàn)宿主細(xì)胞內(nèi)體中的GAS不會被募集到LC3修飾的異噬體中，從而不能被異噬消除，因此能比野生型菌株存活更長的時間，表明化膿性鏈球菌的SLO是誘導(dǎo)宿主細(xì)胞產(chǎn)生異噬作用的關(guān)鍵因素。

另一項(xiàng)研究表明，在GAS感染的人口腔角質(zhì)形成細(xì)胞中，細(xì)菌通過其SLO和外毒素鏈球菌溶血素S（SLS）來破壞內(nèi)體膜并逃逸到胞質(zhì)溶膠中。內(nèi)體膜結(jié)構(gòu)被破壞后，逃逸的GAS在泛素化信號通路作用下被泛素化，進(jìn)而招募銜接蛋白NDP52，p62和NBR1并結(jié)合，從而進(jìn)入異噬流。此外，破潰的宿主細(xì)胞內(nèi)體膜與GAL8結(jié)合后招募銜接蛋白NDP52，引發(fā)宿主細(xì)胞異噬反應(yīng)。其中，SLO是與泛素結(jié)合所必需的，而SLS是與Galectin-8結(jié)合所必需的[37]。

研究表明，在異噬清除GAS過程中，RAB9A對于異噬體的形成和異噬體與溶酶體的融合是不可缺少的[38]，但迄今為止，尚未發(fā)現(xiàn)RAB9A參與傳統(tǒng)自噬過程中自噬體的形成，突顯了該蛋白在細(xì)胞內(nèi)異噬清除病原體的獨(dú)特作用。此外，在感染過程中，宿主細(xì)胞CD46受體也可通過激活Beclin-1與PI3K參與異噬的誘導(dǎo)和GAS的清除[39]。

2??小結(jié)與展望

在過去10多年中，已經(jīng)證明了異噬作用在宿主細(xì)胞免疫病原體中的關(guān)鍵作用。目前，已有研究發(fā)現(xiàn)了識別不同微生物靶標(biāo)的多種分子機(jī)制，如p62、NDP52和NBR1等銜接蛋白選擇性識別不同病原體PAMP，這一過程是引發(fā)宿主細(xì)胞異噬反應(yīng)進(jìn)而清除病原體所必需的。此外，泛素連接酶（如Parkin和LRSAM-1）在宿主細(xì)胞異噬通路中起關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，Parkin是宿主細(xì)胞線粒體自噬通路中的關(guān)鍵分子，且與帕金森綜合征有關(guān)，而后又證明其參與宿主細(xì)胞異噬靶向清除結(jié)核分枝桿菌，表明宿主細(xì)胞異噬作用與線粒體自噬之間存在某種相關(guān)性。如今，對宿主細(xì)胞抗菌異噬級聯(lián)反應(yīng)分子機(jī)制的研究日漸深入，但該領(lǐng)域尚未解決的一個關(guān)鍵問題是宿主細(xì)胞如何感知細(xì)胞質(zhì)中的細(xì)菌并用泛素標(biāo)記它們以啟動異噬級聯(lián)反應(yīng)。此外，不同病原體微生物在宿主細(xì)胞中被異噬作用清除的分子機(jī)制各不相同。因此，未來需要進(jìn)一步研究免疫細(xì)胞中的異噬分子機(jī)制，以便充分了解這些復(fù)雜的、多層次的異噬防御機(jī)制。在異噬發(fā)生的同時，各種細(xì)菌也進(jìn)化出了逃避異噬清除機(jī)制的方法，因此，充分研究不同微生物逃避異噬的分子機(jī)制是未來的另一目標(biāo)。

抗菌藥物耐藥性的廣泛出現(xiàn)已經(jīng)引起人們對宿主定向療法（host-directed therapies，HDT）的興趣。充分了解不同的異噬過程和微生物免疫逃避機(jī)制，有利于針對病原微生物疾病的臨床治療。通過調(diào)節(jié)宿主免疫途徑的特定位點(diǎn)，可以限制微生物在體內(nèi)的感染。這些針對宿主免疫途徑的藥物可以在很大程度上避免細(xì)菌抗生素耐藥性的發(fā)展。總之，這些宿主定向藥物為抗菌治療提供了新的研究思路。

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