Nature?|?腸致病菌的免疫逃逸‘雙保險(xiǎn)’策略：抑制細(xì)胞焦亡并阻斷上皮細(xì)胞擠出

撰文 | 阿童木

在人類和小鼠中，caspase-4及其同源物caspase-11是抵御革蘭氏陰性菌感染的關(guān)鍵先天免疫因子。它們能在細(xì)胞質(zhì)中直接感知細(xì)菌脂多糖（LPS），被激活后切割孔形成蛋白gasdermin D（ GSDMD），促使其N端片段在質(zhì)膜上組裝成通道，最終引發(fā)一種以細(xì)胞溶解為特征的炎性細(xì)胞死亡——細(xì)胞焦亡（pyroptosis）【1, 2】。通過(guò)這種方式，宿主可迅速清除受感染細(xì)胞，剝奪病原體的復(fù)制生態(tài)位并限制其擴(kuò)散。

除LPS外，其他細(xì)菌組分如毒素或DNA可被炎癥小體復(fù)合物識(shí)別。炎癥小體的組裝招募并激活caspase-1，使其切割GSDMD并釋放IL-1β與IL-18，從而放大局部炎癥反應(yīng)【3】。這些機(jī)制構(gòu)成了上皮防御的“自毀屏障”，既能終止感染，也能警示鄰近細(xì)胞。

面對(duì)如此嚴(yán)密的宿主防線，許多病原體演化出復(fù)雜的免疫逃逸策略。志賀菌的E3連接酶IpaH7.8可降解GSDMD與GSDMB，從而阻斷焦亡；其效應(yīng)子OspC3則直接抑制caspase-4/11的活化【4】。類似機(jī)制也存在于鼠疫耶爾森菌的YopM與致病性大腸桿菌的NleA，它們通過(guò)干擾caspase-1抑制炎癥小體激活；NleF更能同時(shí)抑制caspase-4、-8和-9，協(xié)同封鎖焦亡與凋亡【5, 6】。通過(guò)這些策略，病原體在宿主體內(nèi)短暫建立“免疫豁免區(qū)”，為感染擴(kuò)散贏得時(shí)間。

然而，在腸道上皮這種高更新組織中，受感染細(xì)胞除了經(jīng)歷凋亡、焦亡或壞死性凋亡外，還可被鄰近健康細(xì)胞主動(dòng)“擠出”（extrusion）到管腔，從而為宿主提供額外一道物理防線【7】。盡管多種病原體被證明能抑制細(xì)胞死亡，但針對(duì)這一“擠出”過(guò)程所依賴的細(xì)胞骨架重塑機(jī)制，目前仍未發(fā)現(xiàn)能夠干擾該過(guò)程的毒力因子。

近日，Genentech公司Vishva M. Dixit與Giovanni Luchetti團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)Isabella Rauch實(shí)驗(yàn)室等在

Nature

Enteropathogenic bacteria evade ROCK-driven epithelial cell extrusion

為確定其他毒力因子是否靶向宿主焦亡信號(hào)，作者在人類類內(nèi)皮EA.hy926細(xì)胞中篩選了63種大腸桿菌效應(yīng)子，評(píng)估其阻斷LPS誘導(dǎo)焦亡的能力。作者發(fā)現(xiàn)僅NleL與NleF 能顯著抑制LPS誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡，表現(xiàn)為存活率上升和LDH釋放下降。野生型NleL具備完整的HECT樣E3連接酶活性，催化位點(diǎn)突變則無(wú)法抑制LPS誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，表明NleL的泛素連接酶活性對(duì)其抑制LPS誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡必不可少。 此外，NleL并不影響caspase-1/GSDMD途徑焦亡，提示NleL作用于非經(jīng)典炎癥小體上游。

通過(guò)定量質(zhì)譜鑒定NleL底物，作者發(fā)現(xiàn)NleL特異靶向caspase-4與ROCK2。NleL的催化活性可促使caspase-4（Lys87與Lys293）及ROCK2發(fā)生K48連接泛素化并被蛋白酶體降解，ROCK1豐度也同步下降；而其他caspase及已知底物如JNKs、IKKs均未受影響。免疫沉淀實(shí)驗(yàn)證實(shí)NleL直接結(jié)合并修飾caspase-4和ROCK1/2，且作用被蛋白酶體抑制劑阻斷。

接下來(lái)作者通過(guò)結(jié)構(gòu)-功能分析進(jìn)一步解析了底物識(shí)別機(jī)制，發(fā)現(xiàn)NleL通過(guò)識(shí)別caspase-4/5/11的LPS感知CARD結(jié)構(gòu)域完成泛素化。CARD結(jié)構(gòu)域互換實(shí)驗(yàn)表明，caspase-4的CARD可使caspase-1獲得對(duì)NleL的敏感性，而caspase-1的CARD則賦予耐受性。AlphaFold建模顯示，caspase-4的CARD缺乏死亡折疊蛋白典型的六股反平行α螺旋束結(jié)構(gòu)，這一差異或解釋其被NleL特異識(shí)別的分子基礎(chǔ)。

ROCK1和ROCK2不含CARD結(jié)構(gòu)域，截短和片段刪除實(shí)驗(yàn)表明 NleL主要識(shí)別ROCK2的C端PH結(jié)構(gòu)域，該區(qū)域?qū)leL泛素化至關(guān)重要。純化的PH結(jié)構(gòu)域在體外即可被NleL修飾，而激酶結(jié)構(gòu)域無(wú)效。進(jìn)一步的互作分析顯示，NleL的PPR結(jié)構(gòu)域（Glu372–Gly486）介導(dǎo)與caspase-4結(jié)合，NEL結(jié)構(gòu)域則結(jié)合ROCK1。

在功能層面，NleL通過(guò)降解caspase-4和ROCK1/2，協(xié)同抑制焦亡與上皮細(xì)胞擠出。感染實(shí)驗(yàn)表明，ΔnleL菌株在Caco-2或腸上皮類器官單層中更加強(qiáng)烈地誘導(dǎo)ROCK底物MLC2磷酸化及腸上皮細(xì)胞的擠出?；铙w成像顯示，ROCK1/2可促進(jìn)焦亡細(xì)胞被推出上皮層。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，ΔnleL的Citrobacter rodentium菌在小鼠結(jié)腸的定植顯著下降，脾臟擴(kuò)散受限；而在Rock1/2缺失的IEC小鼠中，野生型與ΔnleL菌株的定植無(wú)差異。與此同時(shí)，ROCK缺失并未破壞上皮屏障完整性，證實(shí)ROCK1/2是NleL促進(jìn)感染的直接靶點(diǎn)。

綜上所述，本研究揭示了大腸桿菌HECT樣E3泛素連接酶NleL在感染過(guò)程中發(fā)揮了雙重作用：其一，通過(guò)靶向caspase-4/5/11削弱LPS感知與焦亡反應(yīng)；其二，通過(guò)降解ROCK1/2關(guān)閉垂死細(xì)胞的擠出通道。兩條通路的共同抑制，使細(xì)菌得以逃脫上皮的“驅(qū)逐機(jī)制”，在腸道中建立穩(wěn)定定植。未來(lái)若能解析NleL與其底物的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，將揭示其識(shí)別與催化的分子邏輯，并為靶向效應(yīng)子-宿主互作的抗感染策略提供新思路。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09645-0

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

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