cell:细菌的脂多糖是如何进入胞浆激活天然免疫系统的?

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在天然免疫反应过程中,宿主的免疫细胞可以通过多种机制识别外源微生物信号,其中包括位于细胞膜表面的Toll样受体,这类受体能够识别胞外的微生物组分,比如LPS。另外还有一些存在于胞浆中的受体,它们能够特异性识别入侵细胞内部的微生物成分。此前研究发现LPS如果进入胞浆中,则能够引发caspase-11炎症小体的激活,进而引起炎症反应。然而,很多具有这一现象的细菌本身并不具有入侵细胞的能力。那么,这些细菌的LPS是如何能够进入胞浆中并引起caspase-11的激活呢?针对这一问题,来自美国康州大学医学院的VijayA.K.Rathinam进行了深入研究,相关结果发表在最近一期的《cell》杂志上。

首先,作者利用肠出血性大肠杆菌(EHEC)对细胞进行了感染,并通过细胞亚组分分离技术得到了感染后细胞的上清,细胞膜以及胞浆。之后,作者检测了这些组分中LPS的含量。结果显示,在感染后细胞的胞浆中出现了明显的LPS,然而,这一组分中却没有细菌的存在。这说明LPS可以不依赖于细菌的侵染而独立地进入胞浆中。

接下来,作者希望了解为什么LPS能够进入胞浆中。为此,他们首先利用cytochalasinD(细胞松弛素)阻断细胞的内吞作用,之后再次进行感染。结果显示,这一处理无法影响LPS进入胞浆。还有一种可能是LPS释放到胞外,以小分子的形式自由地进入胞浆中,为了检验这一假设,作者们将纯化的LPS小分子与巨噬细胞进行共同孵育。结果显示,LPS无法顺利进入细胞内部。因此这一假设也不成立。除此之外,细菌还拥有一类叫做”III型分泌系统”的结构,该结构能够在细胞表面打孔,从而方便毒性因子的释放,然而,作者利用该系统确实突变的细菌进行感染,同样发现LPS能够顺利进入胞浆。因此该假设同样不成立。

此前研究发现:经过热处理杀死后的细菌无法激活细胞的caspase-11。这有两个假设:其一,热处理导致细菌的LPS丧失功能;而热处理导致细菌无法将其LPS”输送”到宿主细胞。作者通过人工转染热处理后的细菌裂解物,发现该处理能够激活宿主细胞内的caspase11的激活,从而验证了第二种猜测。同时,该实验也证明活性细菌中存在一套能够将LPS运送到宿主细胞中的系统。

此前研究发现:细菌能够分泌一种小型的囊泡(Extracellularvesicles),对于革兰氏阴性菌来讲,这种囊泡被称为”outermembranevesicles(OMV)”。该囊泡中富含LPS。因此,作者们认为有可能细菌通过将OMV与宿主细胞进行融合达到运送LPS的目的。通过电镜观察,作者们确实发现在细菌感染过程中宿主细胞内部出现一种类似于”OMV”的结构。之后,他们将纯化后的OMV与巨噬细胞进行共同培养,结果显示,培养后的细胞胞浆中出现了大量的LPS。

进一步,作者通过细胞试验发现OMV与巨噬细胞共同孵育能够促进IL-1B的成熟与释放。之后,为了证明是OMV中的LPS而非其它组分导致这一效应,作者比较了野生型细菌的OMV与突变体细菌(无法合成正常的LPS)的OMV。结果显示,突变体细菌的OMV确实无法引发IL-1B的成熟与释放,这些实验共同证明了细菌利用OMV将LPS运送到细胞内部从而引发炎症反应的事实。另外,通过比较野生型与caspase11缺失突变体的细胞在响应OMV刺激时的区别,作者发现突变体细胞受到OMV刺激后产生IL-1b的量明显低于野生型。这一实验证明了该炎症反应依赖于caspase11。

之后,作者利用一系列细胞内吞作用的抑制剂证明了OMV的进入需要依赖细胞的内吞作用。

最后,通过体内实验,作者证明了OMV对于大肠杆菌的感染具有重要的作用。

出处:Bacterial Outer Membrane Vesicles Mediate Cytosolic Localization of LPS and Caspase-11 Activation

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