利用沙门氏菌,中国学者发现一条免疫新通路

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撰文 | 黄宇翔

责编 | 夏志坚

2019年7月18日,《细胞》杂志在线发表北京生命科学研究所邵峰教授团队在细胞自噬领域的新进展。这项工作以对沙门氏菌的遗传学筛选作为突破口,发现了宿主细胞以异源自噬(Xenophagy) 的方式对抗病原菌的工作机制。[1]

清除入侵的病原菌、保障机体健康的往往是体内的免疫系统。但近年来,研究者发现了一个有趣的现象:一些原本被认为没有免疫能力的正常组织细胞,在入侵病原菌面前,并不会坐以待毙,而是会以一种被称作异源自噬的方式对入侵细胞的病原菌进行反击并清除。

自噬(autophagy)是细胞的部分组分通过溶酶体降解而实现对细胞内物质循环利用的过程。作为在一种特殊的自噬过程,参与异源自噬的细胞会选择性地识别侵入细胞内部的病原菌并通过溶酶体将其清除。这一过程在细胞的天然免疫过程中发挥重要功能,但细胞如何感知胞内病原菌的存在,并启动异源自噬的机制此前一直不为人知。

尽管早在2004年科学家就寻觅到了细胞进行过异源自噬过程的踪迹,并且发现了一些如 NDP52、p62、OPTN、NBR1 等可能参与该过程的分子,但十五年过去了,异源自噬过程对于人们依旧是个巨大的谜团。[2-5]

研究的转折点出现在了一株沙门氏菌突变体上。

邵峰团队发现沙门氏菌感染细胞后只能引起少量自噬体的形成,这暗示着沙门氏菌中存在着抑制异源自噬过程的效应分子。经过大量的实验之后,研究者通过转座子遗传筛选找到了一株 sopF 基因功能缺失的沙门氏菌突变体,然后用这种突变体侵染人的海拉细胞,结果发现代表异源自噬过程活性的分子标志物水平从原先的20%升到了80%。于是,研究人员首先鉴定出了一个可以高效抑制异源自噬的新型细菌效应蛋白(SopF)。

接下来,为了寻找细胞内参与异源自噬过程的基因,研究人员进一步设计了巧妙的基于流式细胞荧光分选技术的 CRISPR/Cas9 全基因组筛选体系,发现定位于溶酶体膜上的 V-ATPase 复合物是异源自噬过程所必需的关键物质。当细胞被细菌感染时, V-ATPase 复合体会招募 ATG16L1 蛋白, 并介导异源自噬过程的起始,最终由细胞内部的溶酶体将细菌吞噬消化。

研究者还发现,sopF 是沙门氏菌特有的基因,其编码的蛋白通过对 V-ATPase 复合体中的一个蛋白组分进行 ADP 核糖修饰,使得 V-ATPase 失去招募 ATG16L1的能力,从而削弱异源自噬过程,促进病原菌对宿主细胞的攻击。

邵峰团队的研究成功建立出了用 sopF 细菌突变体侵染宿主细胞的研究体系,并发现了哺乳动物细胞通过细胞自噬抗击入侵细菌的关键感知机制。

“这篇文章通过追踪实验现象,在病原菌和宿主细胞两侧分别进行全基因组筛选,然后再用缜密的生化手段对遗传筛选的结果进行分析验证,最终揭示了全新的分子功能和细胞通路,结果具有重要的科学意义。”北京大学分子生命科学学院肖俊宇研究员对《知识分子》说。

参考文献:

[1] Xu, Y., Zhou, P., Cheng, Sen., … &Shao, F. (2019) A Bacterial Effector Reveals the V-ATPase-ATG16L1 Axis that Initiates Xenophagy. Cell, DOI: 10.1016/j.cell.2019.06.007

[2] Huang,J., & Brumell, J. H. Bacteria–autophagy interplay: a battle for survival.Nature Reviews Microbiology, 12(2), 101. (2014).

[3] Thurston,T. L., Wandel, M. P., von Muhlinen, N., Foeglein, A. & Randow, F. Galectin 8 targets damaged vesicles for autophagy to defend cells against bacterial invasion. Nature 482, 414–418 (2012).

[4]Wild,P. et al. Phosphorylation of the autophagy receptor optineurin restricts Salmonella growth. Science 333, 228–233 (2011).

[5]Thurston, T. L., Ryzhakov, G., Bloor, S.,von Muhlinen, N. & Randow, F. The TBK1 adaptor and autophagy receptor NDP52 restricts the proliferation of ubiquitin-coated bacteria. Nature Immunol. 10,1215–1221 (2009).

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