分子生物學 微生物與免疫學 感染性疾病 科學報導

細菌用以規避人體免疫攻擊的秘密武器:具有感測溫度功能的 RNA

肺炎鏈球菌(Streptococcus pneumoniae;以下簡稱鏈球菌)及流感嗜血桿菌(Haemophilus influenzae;以下簡稱嗜血桿菌)具有棲息在呼吸道的特性,並是造成細菌性腦膜炎(bacterial meningitis)以及社區型肺炎的兩大元凶,每年大約會造成二十萬人死亡。然而,鏈球菌及嗜血桿菌可以寄生在人體內而不引發任何症狀,一旦被寄生的人因為某些因素導致自身免疫力低下,便有機會發展成病徵 [1, 2],因此又被稱為伺機性感染細菌(opportunistic bacteria)。

來自瑞典的研究團隊在 2020 年發現:腦膜炎雙球菌(Neisseria meningitidis)中存在著 RNA 溫度感測器(RNA thermosensors, RNAT;註一)[3];此外,不同的腦膜炎雙球菌 RNAT 變異株都出現了莢膜多醣體(capsular polysaccharides)的高度表現,連帶提升細菌自身抵抗人類補體系統(complement system;註二)毒殺的能力,並導致細菌性腦膜炎。因此團隊認為溫度調控與細菌性腦膜炎的發生有著重要的關聯性,並猜想在其他會導致腦膜炎的細菌中是否也存在類似的機制。

今年(2021)四月,團隊以鏈球菌及嗜血桿菌(實驗室菌株)為模型,目標探討這兩株會導致腦膜炎的細菌是否也有 RNAT 的機制 [4]:

一、環境溫度高低對於細菌生長與抵抗補體系統毒殺能力的影響

團隊首先確認了攝氏 30 度及 42 度對於鏈球菌及嗜血桿菌的生長速度並沒有顯著影響;但發現兩種細菌在 37 度時抵抗補體系統調控的調理作用(opsonization;註三)的能力都較高於在 30 度時的條件(圖一),顯示細菌抵抗人類補體系統的能力與溫度有緊密的關聯性。

圖一:環境溫度高低對於細菌抵抗補體系統毒殺能力的影響。(A) 流感嗜血桿菌在不同溫度及人類血清處理的條件下,其存活率的情況。(B) 肺炎鏈球菌株 TIGR4 在不同溫度及人類血清的處理下,其被吞噬細胞吞噬的比率。
(圖片來源:https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1009513)

二、RNAT 調控細菌的毒性因子:莢膜多醣體與人類 H 因子結合蛋白

由於先前研究指出:細菌表現莢膜多醣體的多寡會影響其抵抗宿主吞噬細胞的能力 [5],此外,鏈球菌及嗜血桿菌可以藉由自身細胞膜上的蛋白(此膜蛋白特稱為人類 H 因子結合蛋白)與人類 H 因子結合(註四),進而對於人類免疫系統的攻擊有抵抗性 [6,7],但溫度是否參與此機制仍不得而知。因此,團隊先利用點墨定量分析在不同溫度的生長條件下,鏈球菌及嗜血桿菌莢膜多醣體的表現量並且進一步量化其厚度。結果顯示:溫度越高,莢膜多醣體表現量越多,厚度也越厚,顯示溫度上升可以提高莢膜多醣體的表現。

團隊下一步利用螢光顯微鏡觀察在不同溫度條件下,鏈球菌及嗜血桿菌內人類 H 因子結合蛋白的表現(圖二),結果顯示相較於攝氏 32 度,在 40 度時,人類 H 因子結合蛋白都有較高的表現(由綠色螢光訊號表示),證實其表現並與溫度有直接相關,此外這項結果也在從病人體內分離的臨床菌株中得到驗證。

上述結果讓團隊想進一步探究在鏈球菌及嗜血桿菌調控莢膜多醣體合成與人類 H 因子結合蛋白的基因操縱組(operons)是否被  RNAT 調控,因此團隊先利用可以預測 RNA 次級結構的軟體,找出位於在調控莢膜多醣體合成與人類 H 因子結合蛋白的基因操縱組上游的潛在 RNAT 序列,並利用基因工程技術將綠色螢光蛋白與上述 RNAT 兩者的序列融合(fusion),如此一來,若 RNAT 序列表現越高,綠色螢光強度越強。而結果顯示隨著溫度的上升,RNAT 的表現也隨之提升。因此團隊推論鏈球菌及嗜血桿菌調控莢膜多醣體合成與人類 H 因子結合蛋白的基因操縱組亦會受到 RNAT 調控。

圖二:高溫可以提高鏈球菌及嗜血桿菌中的人類 H 因子結合蛋白的表現量。(A) 肺炎鏈球菌。(B) 流感嗜血桿菌。
(圖片來源:https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1009513)

三、不同菌種間的 RNAT 序列相似度比較

團隊進一步利用序列分析的方式,希望鑑別鏈球菌及嗜血桿菌兩種菌種間調控相同功能基因的 RNAT 序列的相似程度,但結果顯示不同菌種的序列相似度低,推測不同菌種可能在獨立的演化過程中同樣發展出溫度感測的能力,並躲避人體免疫系統的攻擊。

總結來說,由 RNA 調控的細菌毒性因子(virulence factors)的相關研究仍是較少被探究的領域,這篇研究發現:在鏈球菌及嗜血桿菌中 RNAT 可以感測周遭溫度並調控自身的毒性因子,包括誘導莢膜多醣體的合成及人類 H 因子結合蛋白的產生,可能有助於病原菌躲避人體內補體系統的攻擊,並誘發病徵,但詳細的分子機制仍需更多實驗證實。此外,鏈球菌及嗜血桿菌都屬於伺機性感染細菌,其原本無害的本質到誘發病徵的過程,以及如何躲過宿主免疫系統攻擊的分子機制,都是科學家目前極力想釐清的關鍵問題,而這些問題的解答都將為細菌感染帶來更多的治療線索。

註一:RNA 溫度感測器是一種對溫度非常敏感的一種非編碼 RNA(non-coding RNA),因此會受到溫度調控。其通常位於 mRNA 5′ 端的非轉譯區域(5’ untranslated regions, 5’UTRs)。在溫度較低時,會透過阻擋 mRNA 與核醣體的結合並降低其表現量;而在溫度較高時,RNAT 會進行結構的轉換,使 mRNA 可以與核醣體結合,並且提高基因的表現量。
註二:補體系統是人類先天免疫系統的一部份,由數個補體蛋白質組成,並進行一連串的蛋白質切割反應,最終目標是在病原菌的細胞膜上組織「膜攻擊複合物」(membrane attack complex, MAC),使病原菌細胞膜破裂而死亡。
註三:調理作用是指補體系統可以調控調理素(opsonin;其中便包含數種補體蛋白)的功能,並可以標識目標病原菌、癌細胞、老化細胞等,使吞噬細胞可以進行辨認後並進行吞噬作用。
註四:人類 H 因子可以確保補體系統的正常運作,但當細菌蛋白與人類 H 因子結合,便會使其失去功能,並無法正常執行補體系統的毒殺。

圖三:RNAT 調控機制的假想模型:當肺炎鏈球菌及流感嗜血桿菌中的 RNA 溫度感測器感測到周圍溫度上升及發炎,便會對目標基因進行調控,尤其是 1). 莢膜多醣體的合成、2.) H 因子貼附蛋白,進而規避人類補體系統的攻擊。(圖片來源:https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1009513)

延伸閱讀|2019年11月主題介紹 – 微生物的致病機轉與治療
延伸閱讀|晦暗中有光?細菌褪去外衣以躲避抗生素的攻擊

參考文獻:

  1. Marks, L. R., Davidson, B. A., Knight, P. R., & Hakansson, A. P. (2013). Interkingdom signaling induces Streptococcus pneumoniae biofilm dispersion and transition from asymptomatic colonization to disease. MBio, 4(4), e00438-13. https://doi.org/10.1128/mBio.00438-13
  2. Clementi, C., & Murphy, T. (2011). Non-typeable Haemophilus influenzae invasion and persistence in the human respiratory tract. Frontiers in cellular and infection microbiology, 1, 1. https://doi.org/10.3389/fcimb.2011.00001
  3. Karlsson, J., Eichner, H., Andersson, C., Jacobsson, S., & Loh, E. (2020). Novel hypercapsulation RNA thermosensor variants in Neisseria meningitidis and their association with invasive meningococcal disease: a genetic and phenotypic investigation and molecular epidemiological study. The Lancet Microbe, 1(8), e319-e327. https://doi.org/10.1016/S2666-5247(20)30146-4
  4. Eichner, H., Karlsson, J., Spelmink, L., Pathak, A., Sham, L. T., Henriques-Normark, B., & Loh, E. (2021). RNA thermosensors facilitate Streptococcus pneumoniae and Haemophilus influenzae immune evasion. PLoS Pathogens, 17(4), e1009513. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1009513
  5. Shainheit, M. G., Mulé, M., & Camilli, A. (2014). The core promoter of the capsule operon of Streptococcus pneumoniae is necessary for colonization and invasive disease. Infection and immunity, 82(2), 694-705. https://doi.org/10.1128/IAI.01289-13
  6. Fleury, C., Su, Y. C., Hallström, T., Sandblad, L., Zipfel, P. F., & Riesbeck, K. (2014). Identification of a Haemophilus influenzae factor H–binding lipoprotein involved in serum resistance. The Journal of Immunology, 192(12), 5913-5923. https://doi.org/10.4049/jimmunol.1303449
  7. Dave S, Brooks-Walter A, Pangburn MK, McDaniel LS. PspC, a pneumococcal surface protein, binds human factor H. Infect Immun. 2001; 69(5):3435–7 https://doi.org/10.1128/IAI.69.5.3435-3437.2001

關鍵字:immune evasion, RNA thermosensors, Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae, bacterial meningitis

撰文|蕭皓文
審稿|陳品萱、黃云宣

About the author

蕭皓文

蕭皓文

日本東京大學醫科博士班學生,研究領域為免疫學、癌症生物學、分子生物學。曾在中研院參與兩年的免疫療法研究。

Leave a Comment