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Nature:中科院刘星教授团队首次揭示化脓链球菌感染免疫应答机制

研究背景

gasdermin家族蛋白是细胞焦亡(pyroptosis)的关键执行者。该家族蛋白具有膜成孔活性,通过在细胞膜上打孔,破坏细胞的稳态并触发细胞焦亡。gasdermin在人类中由五个同源基因编码,包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD和GSDME。目前,激活GSDMB-E的蛋白酶都已经确定,但GSDMA是如何被活化的尚未阐明。

 

最近,中国科学院上海巴斯德研究所刘星教授团队首次发现化脓链球菌的毒力因子SpeB通过切割GSDMA而触发上皮细胞焦亡并抑制其系统性感染。这一研究成果近期发表在国际顶尖期刊《Nature》上,将GSDMA确定为响应病原体感染的感受器与效应器,揭示了宿主免疫识别与感染免疫应答的新机制。

化脓链球菌感染免疫应答机制

化脓链球菌(GAS)广泛存在于自然界中,可通过宿主皮肤和呼吸道黏膜感染并引发各种化脓性炎症,包括猩红热、丹毒、脑膜炎、脓毒症等,轻则局部化脓,重则致命。GAS的皮肤定植及侵袭能力与其分泌的毒力因子密切相关,其中关键毒力因子之一是链球菌热原外毒素B(streptococcal pyrogenic exotoxin B,SpeB)。GAS感染后临床严重程度与其SpeB表达量呈显著负相关,但具体分子机理尚不清晰。

 

技术路线

01SpeB通过GSDMA触发细胞焦亡

02细胞实验进一步验证

03SpeB触发细胞焦亡机制研究

 

研究结果

1// SpeB通过GSDMA触发细胞焦亡

 

为了研究宿主细胞对GAS感染的应答,研究人员利用了GAS的小鼠皮肤感染模型,比较野生型GAS分离株和不同毒力因子缺失菌株的致病能力。结果表明野生型及其他毒力因子缺失菌株会在皮肤感染部位引起严重化脓和坏死性病变,但SpeB 缺失菌株则不会,上皮组织损伤和中性粒细胞浸润也明显减少。但SpeB 缺失菌株感染的小鼠发生了更严重的全身性感染,也更容易死亡。

 

随后,研究人员利用GAS菌株感染原代小鼠角质细胞,并观察到野生型等菌株导致大量细胞死亡,并出现典型的细胞焦亡形态,而SpeB 缺失菌株丧失了诱导细胞焦亡的能力。这些数据表明,SpeB能够触发上皮细胞裂解性死亡。

 

那么,SpeB是如何触发细胞死亡的?为了探究其中的机理,研究人员在人上皮细胞系A431中进行了全基因组CRISPR筛选。结果表明,靶向GSDMA的单链向导RNA在耐SpeB诱导死亡的细胞中高度富集(图1)。对于缺乏内源性GSDMA的293T细胞,GSDMA和SpeB的共表达会导致焦亡细胞形态。因此,SpeB诱导的细胞焦亡依赖于GSDMA。

化脓链球菌感染免疫应答机制

图1. SpeB以GSDMA依赖性的方式触发了细胞焦亡。

 

2// SpeB切割的GSDMA-NT导致细胞焦亡

 

研究人员假设,SpeB蛋白酶可能通过直接切割和激活GSDMA来触发细胞焦亡。体外生化与细胞实验发现GSDMA与野生型SpeB的共表达产生了一个切割的大小约27 kDa的 N末端片段(GSDMA-NT)。更多数据表明,SpeB特异性切割GSDMA,而不切割gasdermin家族其他成员。Edman测序和质谱分析发现,SpeB切割GSDMA第246位的氨基酸。 

 

为了进一步探讨GSDMA切割产物在SpeB触发的细胞焦亡中的作用,研究人员将纯化的GSDMA-NT和GSDMA-CT(C末端)片段转染到293T细胞中。结果显示,纯化的GSDMA-NT片段会导致严重的细胞焦亡,全长GSDMA或GSDMA-CT的转染则对细胞活力没有影响。因此, SpeB切割的GSDMA-NT片段能够诱导细胞焦亡。

 

后续的脂膜试纸条和脂质体结合分析表明,GSDMA 1-246aa与磷脂酰丝氨酸(PS)和心磷脂(CL)强烈结合,而全长GSDMA和GSDMA 1-214aa不与试纸条上的任何脂质结合。同时,脂质体泄漏分析表明,GSDMA 1-246aa能够在特定脂质体上成孔。这些数据表明,由SpeB切割产生的GSDMA 1-246aa会与某些酸性脂膜结合并破坏膜结构。

 

3//  Gsdma1的缺失削弱了抗GAS免疫力

 

小鼠基因组中包含三个GSDMA同源基因,而人GSDMA的SpeB切割位点仅在小鼠Gsdma1中保守。研究人员将重组SpeB转染到从Gsdma1−/−小鼠(购自赛业生物)分离的角质细胞中,发现不会发生像分离自野生型小鼠的细胞那样的焦亡现象,证实SpeB诱导的Gsdma1切割可诱发小鼠上皮细胞焦亡。值得注意的是,Gsdma1−/−小鼠的皮肤损伤虽然轻得多,但会发生更严重的全身感染。相较于野生型小鼠,Gsdma1−/−小鼠在GAS感染情况下的存活率较低。这些数据表明,SpeB介导的GSDMA切割在宿主防御GAS感染中起了重要作用。

 

总结

总的来说,这项研究发现GSDMA分子既可以作为GAS毒力因子SpeB的感受器和底物,又可以作为触发细胞焦亡的免疫效应器(图2)。研究团队揭示了宿主免疫识别和感染应答的一种新机制,有望为相关疾病的临床治疗提供新思路。

化脓链球菌感染免疫应答机制

图2. SpeB触发GSDMA激活和细胞焦亡的模型。

 

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化脓链球菌感染免疫应答机制

原文检索:

Deng, W., Bai, Y., Deng, F. et al. Streptococcal pyrogenic exotoxin B cleaves GSDMA and triggers pyroptosis. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04384-4

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