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結(jié)核病（tuberculosis，TB）是由結(jié)核分枝桿菌（M. tuberculosis，Mtb）感染引起的一類重大慢性傳染病。據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)道，2020年全球有近990萬新發(fā)TB患者，并有約151萬人因TB感染導(dǎo)致死亡。中國科學(xué)院微生物研究所劉翠華團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于Mtb與宿主互作機(jī)制方面的研究，近年來在Nature Immunology（2015）、Nature Communications（2019，2017）、Autophagy（2021）、EMBO Report（2021）、Cellular & Molecular Immunology（2018，2019）等期刊發(fā)表系列研究工作，揭示了一系列病原菌與宿主相互博弈的動(dòng)態(tài)過程及分子機(jī)制，為TB防治提供了多種新思路和潛在新靶點(diǎn)。近日，劉翠華團(tuán)隊(duì)與北京師范大學(xué)邱小波團(tuán)隊(duì)合作，揭示了Mtb利用脂磷酸酶PtpB挾持宿主泛素進(jìn)而拮抗GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡的病原免疫逃逸新機(jī)制，提供了基于病原-宿主互作界面的TB治療新思路和潛在新靶標(biāo)。
炎癥小體（inflammasome）是近年來在哺乳動(dòng)物免疫細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的一種多聚蛋白復(fù)合物，主要由胞質(zhì)中的模式識(shí)別受體（如NLRP3和AIM2等）、凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白（ASC）及caspase-1前體蛋白（pro-caspase-1）組成。當(dāng)受到活化信號(hào)刺激時(shí)，炎癥小體能夠迅速組裝并使pro-caspase-1發(fā)生自剪切產(chǎn)生具有酶活性的caspase-1，后者進(jìn)一步剪切下游的關(guān)鍵效應(yīng)分子gasdermin D（GSDMD）及炎性細(xì)胞因子前體pro-IL-1β和pro-IL-18，剪切后的GSDMD的N-末端效應(yīng)結(jié)構(gòu)域（GSDMD-N）隨后在質(zhì)膜內(nèi)側(cè)聚集并產(chǎn)生孔洞，進(jìn)而介導(dǎo)成熟的炎性細(xì)胞因子（IL-1β和IL-18）的釋放及細(xì)胞焦亡（pyroptosis）的發(fā)生。已有研究提示，炎癥小體—細(xì)胞焦亡通路在宿主抵抗Mtb等病原體感染過程中發(fā)揮重要作用。然而，這些病原體是否能夠以及如何逃逸該免疫機(jī)制尚不清楚。因此，進(jìn)一步鑒定Mtb等病原體調(diào)控宿主炎癥小體—細(xì)胞焦亡通路的關(guān)鍵效應(yīng)蛋白并闡明其作用機(jī)理有望為TB等感染性疾病提供新的藥物靶標(biāo)及干預(yù)策略。
在本項(xiàng)研究中，研究人員通過在HEK293T細(xì)胞中構(gòu)建AIM2和NLRP3炎癥小體的重組系統(tǒng)對(duì)Mtb編碼的真核樣分泌蛋白進(jìn)行全面篩選，鑒定出Mtb分泌的蛋白磷酸酶PtpB是宿主炎癥小體—細(xì)胞焦亡通路的潛在抑制分子。進(jìn)一步的研究表明，PtpB在Mtb感染時(shí)可定位至宿主細(xì)胞質(zhì)膜并依賴其磷酸酶活性去磷酸化質(zhì)膜上的磷脂酰肌醇-4-單磷酸（PI4P）及磷脂酰肌醇-(4,5)-二磷酸（PI(4,5)P2），從而抑制GSDMD-N在質(zhì)膜上的聚集并阻止細(xì)胞焦亡及細(xì)胞因子IL-1β和IL-18的釋放。PtpB雖然在細(xì)胞內(nèi)具有顯著的去磷酸化PI4P及PI(4,5)P2的功能，但其在細(xì)胞外僅表現(xiàn)出有限的脂磷酸酶活性。結(jié)構(gòu)生物學(xué)分析表明PtpB的酶活中心（P-loop）被掩蓋在一個(gè)蓋狀的柔性雙螺旋結(jié)構(gòu)（lid）內(nèi)，提示其磷酸酶活性可能受到動(dòng)態(tài)調(diào)控。在之前的研究工作中，劉翠華團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Mtb編碼的另一種蛋白磷酸酶PtpA可通過結(jié)合宿主泛素調(diào)控自身的磷酸酶活性進(jìn)而發(fā)揮免疫抑制功能（Nature Immunology，2015）。在此基礎(chǔ)上，研究人員推斷PtpB的磷酸酶活性可能也受到宿主細(xì)胞中特定分子的調(diào)控。進(jìn)一步的深入探尋證實(shí)了PtpB依賴一個(gè)特殊的真核樣泛素結(jié)合模序（UIM-like）通過疏水相互作用結(jié)合宿主泛素并被其激活進(jìn)而去磷酸化PI4P和PI(4,5)P2，導(dǎo)致這兩種分子在宿主細(xì)胞質(zhì)膜上的豐度顯著減少進(jìn)而抑制GSDMD-N在質(zhì)膜上的聚集及細(xì)胞焦亡的發(fā)生。隨后的小鼠感染實(shí)驗(yàn)證明，破壞PtpB的脂磷酸酶活性或泛素結(jié)合區(qū)域可以顯著增強(qiáng)宿主在感染早期依賴GSDMD的保護(hù)性免疫反應(yīng)及清除Mtb的能力，并減輕宿主在感染晚期的病理性免疫損傷。
相關(guān)研究結(jié)果已在線發(fā)表于國際權(quán)威期刊Science，題為“A bacterial phospholipid phosphatase inhibits host pyroptosis by hijacking ubiquitin”。劉翠華課題組的特別研究助理柴琪瑤、客座研究生余珊珊以及博士研究生鐘延昭為該論文的并列第一作者，中國科學(xué)院微生物研究所的劉翠華研究員、汪靜項(xiàng)目研究員和北京師范大學(xué)的邱小波教授為共同通訊作者。這項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金委、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)及中國博士后科學(xué)基金會(huì)的支持。
圖1. 結(jié)核分枝桿菌劫持泛素調(diào)控宿主的膜脂穩(wěn)態(tài)進(jìn)而抑制細(xì)胞焦亡
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq0132
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