细菌毒素诱导非经典迁移胞吐作用加剧急性炎症

2024-11-22 Fri
细菌毒素诱导非经典迁移胞吐作用并加剧急性炎症的研究报告背景与研究目的近年来，迁移胞（migrasome）作为一种新型膜结构的发现，在细胞迁移和多种生物功能中的作用逐渐引起了科学界的广泛关注。迁移胞通过细胞迁移过程中的细胞收缩纤维上形成并释放，被认为在细胞间信号传递、线粒体质量控制、器官形成等过程中具有重要作用。而迁移胞形成与释放的过程被称为“迁移胞吐作用（migracytosis）”，这一过程受到多种蛋白质和酶的调控。
然而，迁移胞吐作用的触发机制通常依赖于细胞迁移。浙江大学、浙江省多组学感染与免疫研究中心等机构的科研团队在《Cell Discovery》期刊上发表了一篇题为“Bacterial toxins induce non-canonical migracytosis to aggravate acute inflammation”的论文，首次报道了一种由细菌毒素诱导的非经典迁移胞吐作用，这种新型机制的发现扩展了迁移胞在生物学功能中的潜在意义。研究表明，细菌毒素可以在细胞静止状态下触发迁移胞的形成，从而在急性炎症反应中起到加剧作用，为免疫系统感知和反应微生物感染提供了新思路。
研究来源该研究由浙江大学生命科学学院、西湖大学生命科学学院及基础医学研究所、西湖大学多学科感染与免疫重点实验室共同完成，研究团队由Diyin Li、Qi Yang、Jianhua Luo、Yangyushuang Xu、Jingqing Li和Liang Tao等人组成，于2024年在《Cell Discovery》期刊上正式发表。
研究设计与方法1. 研究流程与实验设计该研究分为多个步骤，系统性地探讨了毒素诱导的非经典迁移胞吐作用的发生机制、细胞结构变化、生化特征、在动物体内的表达特征及其对急性炎症的影响。具体流程如下：
毒素诱导迁移胞形成的初步实验：首先，研究团队应用Clostridioides difficile毒素B（Tcdb3）处理多种培养细胞，包括U2OS、SH-SY5Y、L929等，发现这些细胞在毒素作用下产生大量迁移胞。扫描电子显微镜和透射电子显微镜显示，这些迁移胞为200nm至1μm直径的囊泡，具有典型的迁移胞形态特征。
迁移胞生化特征分析：进一步，通过液相色谱-质谱分析，确定了Tcdb3诱导的迁移胞中富含tspan蛋白家族、Rab35等迁移胞标志物，支持迁移胞的生物化学特性。同时，实验使用tspan4过表达和敲除细胞，验证了Tcdb3诱导的迁移胞形成依赖于特定tspan蛋白。
迁移胞吐作用的动态成像：实时活细胞成像技术揭示了Tcdb3诱导的迁移胞吐作用是一个快速且不可持续的过程，迁移胞在毒素作用几小时内大量生成并最终破裂释放细胞成分。
特定细菌毒素和效应蛋白对迁移胞的选择性诱导：研究还探讨了其他细菌毒素及效应蛋白的影响，如Tcdb1、Tcda等，仅Tcsl和Tpel等部分毒素能够有效诱导迁移胞吐作用。
在活体动物中的表达验证：通过小鼠注射Tcdb3，研究团队在小鼠肝脏内皮细胞和库普弗细胞中观察到迁移胞形成现象，证明该迁移胞吐作用在体内急性炎症过程中同样发挥作用。
2. 数据分析与生化反应的控制GTP酶活性与迁移胞形成的关系：研究发现毒素诱导的迁移胞形成依赖Rho GTP酶，尤其是RhoA在迁移胞中的富集现象。此外，使用抑制微管动态稳定的化学药剂（如nocodazole）可以阻止Tcdb3诱导的迁移胞形成，表明Rho信号通路与局部微管稳定在迁移胞形成中的重要性。
基因敲降实验与小鼠存活实验：研究还使用tspan9敲除小鼠（该小鼠具有迁移胞吐作用缺陷）进行了毒素挑战实验，结果显示，在注射Tcdb3毒素后，约50%的tspan9‒/‒小鼠存活，而所有正常小鼠在12至36小时内死亡。数据表明，迁移胞吐作用缺陷的tspan9‒/‒小鼠对毒素的抗性较高。
免疫与炎症基因的表达变化：通过对小鼠肝脏进行转录组分析，tspan9‒/‒小鼠的化学趋化基因及炎症反应基因表达水平显著低于正常小鼠，支持非经典迁移胞吐作用在炎症反应中的加剧作用。
研究结果细菌毒素可以诱导非经典迁移胞吐作用：该研究通过对Tcdb3毒素的实验观察，发现了无需细胞运动即可在静止细胞中诱导迁移胞形成的现象，并首次定义了这种不依赖细胞运动的迁移胞吐作用为“非经典迁移胞吐作用”。
非经典迁移胞吐作用在动物体内表现为急性炎症反应：小鼠模型实验表明，细菌毒素注射后，肝脏内皮细胞和库普弗细胞形成迁移胞，这些迁移胞含有丰富的趋化因子和细胞因子，包括CXCL10、CCL5、VEGFA和IL-10等，提示其在急性炎症和细胞间信号传递中的潜在作用。
Rho GTP酶在迁移胞吐作用中的关键性：研究还发现Rho GTP酶，尤其是RhoA的活性在迁移胞形成中的关键性。此外，实验也表明了微管稳定性和Rho信号通路在毒素诱导迁移胞吐作用中的协同作用。
迁移胞吐作用加剧早期炎症反应：基因敲除实验表明，tspan9缺失导致小鼠炎症反应降低并提升存活率，表明细菌毒素诱导的迁移胞吐作用对急性炎症反应起到加剧作用，甚至可能促使感染性败血症的快速进展。
研究意义与价值该研究首次揭示了细菌毒素能够在非迁移状态下诱导迁移胞吐作用的机制，为迁移胞在急性炎症和免疫反应中的作用提供了新视角。其科学意义体现在以下几个方面：
拓展了迁移胞的生物学功能：此前的研究大多认为迁移胞吐作用是细胞迁移过程中发生的生物现象，而本研究证明在细菌毒素等外来因素刺激下，静止细胞同样能够产生迁移胞，为迁移胞的生物学功能拓展了更为广阔的应用领域。
阐明了细菌毒素作用机制：通过研究Tcdb3等毒素与小GTP酶的相互作用，进一步揭示了细菌毒素如何通过干扰宿主细胞信号通路来激活迁移胞吐作用并加剧免疫反应，丰富了对细菌毒素作用机制的理解。
为抗感染治疗提供了新思路：迁移胞吐作用在急性炎症中发挥的加剧效应提示，在细菌毒素感染导致的疾病（如败血症）中，抑制迁移胞吐作用可能具有治疗潜力，这为急性炎症和感染性疾病的药物研发提供了新的靶点和思路。
揭示了迁移胞吐作用的性别差异：研究还发现雄性小鼠在Tcdb3诱导的迁移胞炎症反应中较为敏感，表明迁移胞的生物功能可能存在性别差异，为未来深入探讨性别在免疫系统反应中的影响提供了新线索。
研究亮点该研究通过多种实验方法综合分析了毒素诱导的非经典迁移胞吐作用，从体外细胞实验到体内小鼠模型实验，展示了细菌毒素如何触发迁移胞吐作用并加剧急性炎症反应。主要研究亮点包括：
- 新机制的发现：首次发现细菌毒素可以在静止细胞中诱导迁移胞吐作用，并命名为非经典迁移胞吐作用。
- Rho GTP酶的关键作用：Rho GTP酶，尤其是RhoA的活性在迁移胞形成中起到了至关重要的作用。
- 新靶点的提出：迁移胞在急性炎症中的作用为新的免疫治疗靶点提供了可能，尤其是在细菌感染引发的炎症反应中。
总结本研究为细菌感染引发的急性炎症反应提供了新的机制解释，强调了迁移胞在免疫反应中的关键角色，并提出通过调控迁移胞形成可能为感染性疾病的治疗开辟了新的方向。