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cell:细菌的脂多糖是如何进入胞浆激活天然免疫系统的?

  1. Caspase 11
  2. LPS
  3. 天然免疫
  4. 炎症小体

来源:生物谷 2016-05-30 13:35

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

2016年5月27日讯/生物谷BIOON/--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。(生物谷bioon.com)

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doi:10.1016/j.cell.2016.04.015

PMC:

PMID:

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

Sivapriya Kailasan Vanaja, Ashley J. Russo, Bharat Behl, Ishita Banerjee, Maya Yankova, Sachin D. Deshmukh, Vijay A.K. Rathinam

Sensing of lipopolysaccharide (LPS) in the cytosol triggers caspase-11 activation and is central to host defense against Gram-negative bacterial infections and to the pathogenesis of sepsis. Most Gram-negative bacteria that activate caspase-11, however, are not cytosolic, and the mechanism by which LPS from these bacteria gains access to caspase-11 in the cytosol remains elusive. Here, we identify outer membrane vesicles (OMVs) produced by Gram-negative bacteria as a vehicle that delivers LPS into the cytosol triggering caspase-11-dependent effector responses in vitro and in vivo. OMVs are internalized via endocytosis, and LPS is released into the cytosol from early endosomes. The use of hypovesiculating bacterial mutants, compromised in their ability to generate OMVs, reveals the importance of OMVs in mediating the cytosolic localization of LPS. Collectively, these findings demonstrate a critical role for OMVs in enabling the cytosolic entry of LPS and, consequently, caspase-11 activation during Gram-negative bacterial infections.

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