组装细菌“大杀器”:免疫系统避免“走火”有绝招

组装细菌“大杀器”:免疫系统避免“走火”有绝招
2018年11月06日 10:05 新浪科技综合

  来源:科技日报

  紧张有序的备战场景,每天在人体内的免疫系统轮番上演——

  敌人触碰警戒线;警戒巡视系统拉响紧急警报;信号兵就位发出组织防御反击的信号;基地提供物资保障;作战部队全员出动;整装之后,旋即发兵,与敌交火。

  近日,《细胞》杂志在线刊登中国工程院院士、南开大学校长曹雪涛团队的重要发现,阐述了“基地”与“作战部队”配合的生命机制。

  “就像炮弹上膛后,才给装配引线一样,我们发现免疫细胞迁移出血管时,才会在血管内皮细胞上结合一个特殊分子,进而‘引爆’免疫细胞杀灭细菌的能力。”论文通讯作者曹雪涛通俗地解释道,机体用这一机制限制免疫细胞只有迁移到感染部位后才能“正当防卫”,以避免免疫系统的“走火”。

  该研究的亮点在于揭示了宿主非免疫细胞与固有免疫细胞的相互作用,以调控免疫细胞的激活及成熟。“炎症刚一发生,血管中的血液从轴流的状态减速,免疫细胞在血管的内皮上滚动前进,不断地和血管内皮相互接触,我们首次发现这种接触是有生物功能意义的。”论文第一作者、中国医学科学院基础医学研究所免疫治疗研究中心许小青博士接受科技日报记者采访时说。

  一张“角色扮演表” 看懂巨噬细胞“吃”细菌线路

  为了更好地理解这一复杂的跨细胞线路,先明确一下“角色扮演表”:

  敌人,即胞内感染细菌,包括李斯特菌、结核杆菌等;

  巡视系统,即T细胞、白细胞等,发现不同“敌人”会发出不同信号;

  信号兵,可理解为干扰素,发现细菌发出干扰素γ,发现病毒会发出干扰素α或β,这里是γ;

  接受炎症因子的信号后,基地(宿主体细胞,此次为血管内皮细胞)会表达大量的内皮细胞选择素(E-selectin);而作战部队(巨噬细胞)在之前是未活化状态,与血管内皮细胞选择素作用后,才被活化,履行“固有免疫”的职责,杀伐外源细菌。

  “这是一个持续了8年的研究工作。”许小青介绍,其中分子机制的研究耗时最长,占了全部研究的一半时间。

  “我们发现,一个敲除E-selectin基因的小鼠,被李斯特菌感染之后,巨噬细胞的表现和正常小鼠是不同的。”许小青说,有活性的巨噬细胞不仅从血管中流出得少了,它的活性还降低了。

  一个正常携带E-selectin基因的小鼠在受到细菌感染发炎后,血液流动变慢,巨噬细胞打着滚地与血管的内表皮接触,并会从血管壁扩散出来,到达炎症发生地,开始杀灭细菌的工作。

  但是一旦缺乏E-selectin的表达,小鼠的表现是抵达“战场”的部队人数少了,杀伤力也不行了。“E-selectin缺失小鼠在细菌感染后,巨噬细胞应该到达脾脏,引起脾脏肿大,但它的脾脏大小没发生任何变化。此外,我们的另一计数实验结果也表明巨噬细胞的数量大幅下降。”许小青说,“我们对于细胞活性分子的检测也证明了巨噬细胞的活化受阻。”

  从细胞层面看,E-selectin是活化巨噬细胞必不可少的要素。“已有研究仅知道E-selectin能够介导免疫细胞从血管中游出来,到炎症部位抗菌,但是并不知道这个过程中,它还有活化免疫细胞的功能。”许小青说,课题组想在分子层面证明活化如何进行。

  一边高一边低 “跷跷板”浓度提示通路“堵点”

  “因为巨噬细胞的活化,意味着干扰素γ到达巨噬细胞表面与表面受体结合,才会引发活化,所以我们刚开始猜想是不是干扰素γ少了,没有去刺激巨噬细胞活化。”许小青回忆,但是干扰素γ的检测试验却给了他们一个否定的答案——血清中干扰素γ的表达非但不低,反而异常升高。

  “我们就觉得很新奇,前端增加,后端减少,那应该是中间有环节出了问题。”许小青说,细胞通路犹如现实中的管路,“截流”或者“淤堵”点的前后就会出现汪洋和干涸的明显对比。“跷跷板”式的浓度揭示出“淤堵”发生在巨噬细胞的内部通路中。

  那么究竟是什么造成了这个淤堵?

  “干扰素γ活化巨噬细胞时,会有一个非常特异的通路,叫做JAK-STAT通路。我们发现这个通路的活性下降了。”许小青说,对于这个通路的几个关键活性分子的活检,证实了通路活性下降的猜测。

  一条路沿线的关键分子活性都不高,表明这条通路的淤堵发生在源头,就是整个通路从开头没有被激活,而不是在细胞内中断的。“我们据此怀疑是细胞膜上干扰素γ的受体出了问题。”许小青说。

  已经有研究证明细胞膜上的受体由两种亚基组成,这两种亚基分别是IFN-γR1与IFN-γR2。IFN-γR1组成型表达于有核细胞表面,主要结合IFN-γ。IFN-γR2在细菌感染宿主后,易位于细胞膜并诱导型表达于细胞膜表面形成功能性IFN-γ受体。

  可以理解为,R1生而住在细胞膜上,作用是“外联”,接待来造访的干扰素γ,而R2是后来转运到膜上来的,作用是“内通”,外来的信号能不能转到细胞内部,诱发细胞内反应,要看R2工不工作。

  整个跨细胞线路的“排查”研究工作进行到这里,基本可以锁定目标——对于E-selectin缺失小鼠来说,问题出在巨噬细胞表面的干扰素γ受体,其R2部分没有进入正常的工作状态。

  细胞内部探秘 严格的“排他”证明还原真相

  锁定目标,课题组用时4年。接下来的4年将是最艰难的机制研究工作,需要探秘的地点也转移到细胞内部,以及对IFN-γR2从诞生到转移的过程解析。

  R2亚基的实质是蛋白质,课题组从它的翻译开始“寻根问底”。

  资料显示,蛋白由核糖体翻译,需要易位的蛋白要到内质网、高尔基体进行修饰后再到达细胞膜。“有些到达细胞膜的蛋白还可能被细胞内吞,然后被消化掉。”许小青说,所有这些细胞中的循环都要在机制研究中进行证明和摸索,才能最终“排查”出一条IFN-γR2的生命线,并证明该过程受到E-selectin影响。

  “我们要探讨,E-selectin缺失小鼠中,这个循环中究竟哪一步受到了影响。”许小青说,研究每一个步骤,需要不同的方法。例如编码IFN-γR2基因的转录有没有受到E-selectin的影响,课题组检测相关RNA,发现没有降低的影响。

  “我们检测从翻译到修饰过程中,R2蛋白在不同阶段的产物,看在哪里浓度降低了。”许小青说,最终,通过将高尔基体分离出来,发现高尔基体上的R2亚基含量剧增,而膜上却少了。

  “跷跷板”浓度再次出现,目标锁定了,问题的症结就在“跷跷板”的支点上。“最终发现问题出在高尔基体到细胞膜的这一步。”许小青说。结合此前E-selectin分子对巨噬细胞酪氨酸激酶通路的影响,找到共同聚焦点,课题组最终得出结论:E-selectin分子影响了酪氨酸激酶分子对R2进行位点的选择性磷酸化,磷酸化后的R2与转运蛋白结合,促其从高尔基体转运到细胞膜。

  可见,没有E-selectin,就没有R2与转运蛋白的结合,因此难以上膜。

  “在细胞内部,有很多可能的路径,我们都要一一证明,最终排查出这个路径。”许小青说,这也是《细胞》杂志能够接收的原因,所有的证明都要强有力。课题组甚至通过为小鼠进行骨髓干细胞移植的方法,排除血液中其他可能的因素,证明只有E-selectin能够产生该功能。

  有分析认为,该研究从动态的角度对细胞膜上受体的表达进行了首次阐释,同时首次证实了炎性环境下,血管内皮细胞可以通过E-Selectin来预先活化即将发挥重要吞噬功能的巨噬细胞。

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