胞内寄生菌与宿主细胞凋亡的相互作用分子机制研究

(南华大学衡阳医学院病原生物学研究所 特殊病原体防控湖南省重点实验室，湖南省衡阳市 421001)

许多细菌感染能诱导宿主细胞发生凋亡，但也有些细菌感染能抑制细胞凋亡[1-3]。诱发或抑制细胞凋亡对细菌感染的结果起着关键作用，被感染细胞的死亡和细菌的清除可阻止炎症的发生，而细菌为了生存与扩散则抑制细胞凋亡，形成慢性感染。

少数病原菌主要在细胞内寄生称为胞内菌，能够引起人类疾病的胞内菌主要有结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)、单核细胞增生李斯特菌(Listeria monocytogenes)、布鲁氏杆菌(Brucella)、沙门氏菌(Salmonellae)、军团菌(Legionella)、衣原体(Chlamyida)、立克次氏体(Rickettsia)等。它们多数为人兽共患病原菌，引起人兽共患病[4]。胞内菌通过呼吸道、消化道、皮肤黏膜等不同途径侵入机体，在与中性粒细胞、巨噬细胞和树突状细胞相互作用中，其通过抑制细胞氧化杀伤与凋亡和规避自噬逃逸天然免疫机制，维持自身的生存与繁殖，并造成慢性感染。本述评重点介绍胞内寄生菌与宿主细胞凋亡的相互作用的分子机制。

凋亡在病原菌与宿主细胞相互作用中扮演着重要角色，细菌感染细胞后可引起细胞凋亡的发生，进而抑制其生长和增殖。而一些胞内寄生菌则通过控制凋亡的信号通路，从而防止被胞内抗菌物质杀死，同时利用凋亡促进自身在细胞间传播[5]。细菌操纵细胞凋亡的机制十分复杂，全面系统的阐明胞内寄生菌及其毒力因子改变宿主细胞凋亡通路的分子机制将有助于基础研究者与临床专家对病原菌与宿主细胞凋亡相互作用更深入的理解，为开发抗菌药物提供新的理论基础。

1 细胞凋亡发生的一般过程

人体每天进行新陈代谢都可发生细胞死亡，同时机体也会产生100亿～1 000亿个细胞，以维持体内的动态平衡。在生理条件下，细胞主要是以细胞凋亡形式死亡，通常分别由含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-8(Caspase-8)或Caspase-9激活的外源性(死亡受体途径)或内源性(线粒体途径)信号通路触发，最后都汇集于下游，激活凋亡蛋白酶Casapse-3、Caspase-6和Caspase-7。这两条通路相互关联、共同调节细胞凋亡，最终导致凋亡细胞发生形态改变[6]。随后，凋亡的细胞招募巨噬细胞，并向巨噬细胞发出“吃掉我”的信号，使其被巨噬细胞迅速吞噬并降解。机体的这种有效识别并清除凋亡细胞的过程称之为胞葬作用[7]。由此可见，细胞凋亡是一个复杂的级联调控过程，维护着机体内环境稳定与正常生长发育。

2 细胞凋亡在抗感染免疫中的作用

细菌感染一般会促进宿主细胞凋亡，这样有利于直接清除感染的细胞与微生物，防止细胞内病原体繁殖或扩散到周围组织和器官[8]。细胞凋亡不仅能够清除体内无用或受感染的细胞，还可以引发免疫反应并协调适应性免疫应答，以对抗入侵的病原体。例如，受感染细胞中的凋亡小体含有微生物降解产物，如病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)，能够触发具有保护性的炎症反应[9]。此外，凋亡小体被树突状细胞摄取后，提高了抗原交叉递呈的效率，从而诱导T细胞免疫应答[10]。

一些细菌与大多数细菌不同，它们属于兼性胞内寄生菌或专性胞内寄生菌，只能在哺乳动物细胞内生长，那么细胞凋亡必然会破坏胞内寄生菌的增殖生态位。显然，这种独特的生存方式意味着胞内寄生菌能够对宿主细胞凋亡产生影响。阐明其调控宿主细胞凋亡的分子机制对胞内寄生菌的感染治疗具有重要意义。

3 胞内寄生菌调控宿主细胞凋亡

3.1 干扰细胞外信号转导

外源性凋亡途径是由细胞膜死亡受体触发的，如肿瘤坏死因子受体-1(tumor necrosis factor receptor-1，TNFR-1)和Fas受体(Fas receptor，FasR)。胞外菌主要激活细胞外信号来介导外源性细胞凋亡。然而，一些胞内寄生菌也能够干扰这一途径。

鼠疫耶尔森氏菌的Pla蛋白酶(Plasminogen activator)通过降解凋亡信号分子Fas配体(Fas ligand，FasL)抑制Fas/FasL介导的细胞凋亡，从而抑制Caspase-3激活。Caspase-3的激活是宿主诱导产生炎性细胞因子的必要条件。因此，鼠疫耶尔森氏菌能够抑制炎性细胞因子产生，进而减少巨噬细胞的募集，促进其在肺部传播感染[11]。鼠伤寒沙门氏菌则是通过抑制另一种外源性凋亡途径抑制细胞凋亡。鼠伤寒沙门氏菌Ⅲ型分泌系统效应蛋白SseK(S.typhimurium secreted effector K，SseK)可以对抗死亡受体通路中的多种成分。在沙门氏菌感染过程中，SseK修饰细胞的肿瘤坏死因子受体相关死亡结构域蛋白(TNF receptor-associated death domain protein，TRADD)、TNFR-1和肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体(TNF-related apoptosis-inducing ligand receptor，TRAILR)，从而阻断TNF信号转导，最终影响炎症细胞因子的产生与细胞凋亡[12]。此外，沙眼衣原体进入细胞内，还能够通过阻断TNF受体胞质内的配体-受体复合物的内化来抑制TNF的促凋亡信号[13]。然而，沙眼衣原体是通过哪些细菌毒力因子及其相关的分子机制来调控这一过程的尚需深入的探索。

3.2 干扰细胞内信号转导

病原体不仅进化出干扰细胞外信号转导的机制，而且还干扰细胞内信号的传递。其中NF-κB转录因子是重要的多极性基因调控蛋白，参与炎症、免疫和应激反应，并且可以根据启动凋亡的方式和持续时间不同，增加或减少促凋亡或抗凋亡蛋白的转录。研究发现，胞内寄生菌通过表达或转移效应蛋白来控制宿主细胞信号通路调控宿主细胞凋亡。假结核耶尔森氏菌T3SS效应蛋白YopJ阻断NF-κB途径激活，可以抑制天然免疫细胞产生TNF和其他炎症性细胞因子，但同时也可导致细胞死亡[14]。结核分枝杆菌分泌的蛋白酪氨酸磷酸激(proteintyrosinekinase，PtpA)同样抑制NF-κB信号通路[15]。相反，结核分枝杆菌分泌的早期分泌性抗原靶6(early secreted antigenic target of 6，ESAT-6)、Rv1808和Rv2185c等抗原却有激活NF-κB信号通路的活性[16-18]。另外，一些胞内菌(如衣原体、布鲁氏菌、立克次氏体等)为了建立细胞内生存环境，也进化出多种调节宿主细胞效应分子，抵抗宿主细胞的凋亡，形成慢性感染[19-22]。由此可见，病原体对细胞内信号通路调节各有不同，这种现象是否因为感染阶段或宿主细胞类型的不同而变化，仍有待进一步深入研究。

一些胞内寄生菌也编码细菌毒力因子，迁移到宿主细胞的细胞核内来调节基因的表达。福氏志贺氏菌T3SS效应蛋白OspF同样能够进入宿主细胞，将细胞核内丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPKs)去磷酸化，进而导致促凋亡基因表达降低[23]。研究证实Ⅳ型分泌系统(type Ⅳ secretion system,T4SS)效应蛋白AnkG和CaeA是贝纳柯克斯体重要的毒力因子，具有抗凋亡活性和核易位功能，其被转移到宿主细胞中，能够迁移到宿主细胞的细胞核内，以操纵宿主细胞的凋亡途径[24-25]。然而，这些效应蛋白是如何调节转录过程，以及又是如何转化到发挥抑制凋亡作用仍不清楚。

3.3 利用胞葬作用逃逸免疫系统

胞葬作用是凋亡细胞被吞噬细胞吞噬移除的过程，这一过程可以被胞内寄生菌利用。例如，中性粒细胞属于短寿命的固有免疫细胞，鼠疫耶尔森氏菌与肺炎衣原体被中性粒细胞吞噬后，不仅没有被消灭，还能在细胞内生存。当细胞发生凋亡时，这些中性粒细胞被巨噬细胞吞噬，细菌反而利用胞葬作用找到了新的繁殖场所[26]。同样，海洋分枝杆菌感染的巨噬细胞死亡后，被募集而来的巨噬细胞吞噬，而新感染的巨噬细胞可将细菌传播到远端新生的肉芽肿[27]。胞葬作用能够由受体介导，受体与细胞表面或细胞碎片上的磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine，PS)结合后引发吞噬。单核细胞增生李斯特菌感染细胞后，利用宿主细胞膜以出芽的方式将自己包裹在PS+的囊泡中，巨噬细胞通过表面PS结合受体TIM-4(由Timd4基因编码)吞噬含有细菌的囊泡，从而介导了单核细胞增生李斯特菌在细胞间直接传播[28]。胞内寄生菌这种感染巨噬细胞的“特洛伊木马”机制，既能减少宿主促炎性细胞因子的产生，又能使细菌得以逃逸先天性免疫系统，从而在人体宿主内生长发育。

4 结语与展望

综上所述，胞内寄生菌为了在宿主细胞内生存，进化出多种干扰宿主细胞凋亡的机制。尽管病原菌操控宿主细胞以求生存的复杂机制有所不同，但主要表现为抑制细胞外死亡受体识别、干扰细胞内信号转导和利用胞葬作用来逃逸免疫系统并在细胞内建立生态位生存繁殖。目前，在前人研究的基础上，已经充分的了解凋亡调节因子如Caspase、TNFR-1、Fas、NF-κB和MAPKs等分子的活性和调控作用。然而，胞内寄生菌能够长期在宿主细胞间传播，这需要细菌持续感知宿主细胞的活性及其激活状态，其确切的分子机制仍不清楚。此外，胞内菌在细胞中调控细胞凋亡信号传导的不同机制是否与感染时间或空间相关，以及这是如何抑制或激活细胞凋亡的。因此，未来对胞内菌感染宿主细胞的进一步深入研究，不仅有助于我们全面地了解胞内寄生菌与细胞凋亡调控分子间的相互作用机制，同时对凋亡在抗感染靶向治疗中的应用也有重要的指导意义。