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Come over to the dark side:李斯特菌利用抗病毒機轉增進傳播

第一型干擾素(Type I interferons, Type I IFNs)主要包含 IFNα 與 IFNβ 等,負責調節病毒感染時的免疫反應,並誘導下游的干擾素促進基因(interferon stimulated genes, ISGs),協助宿主抵抗病毒侵入細胞、進行複製與散播。在部分細菌感染初期,低量的第一型干擾素作用也有助於誘發細胞免疫,高量反而可能抑制 B 細胞作用或造成免疫抑制分子的產生,同時也抑制 IFNγ 對於巨噬細胞的活化作用 [1]。

李斯特菌(Listeria monocytogenes)為一種兼性胞內菌(facultative intracellular bacteria),主要透過飲食傳播 [2],臨床上亦是造成新生兒敗血症常見的致病菌。

李斯特菌會經由受體媒介胞吞作用或吞噬作用進入宿主細胞,並利用李斯特菌溶胞素 O(listerolysin O, LLO)、肌動蛋白組合誘導蛋白(actin assembly-inducing protein, ActA)、與磷脂酶 C 等致病因子(virulence factor),共同抑制細胞內包覆細菌的吞噬體(phagosome)的作用,促進細菌逃脫至細胞質,引致第一型干擾素的強烈反應,進而抑制趨化因子與免疫細胞的作用。致病因子 ActA 則透過與宿主的 Arp2/3 蛋白進行交互作用,促進肌動蛋白聚合,藉以逃出細胞,同時誘導細胞表面形成偽足,使其得以於細胞間傳播,引起全身性感染(圖一)。先前研究發現第一型干擾素缺失的小鼠不易受李斯特菌感染 [3],推論李斯特菌利用第一型干擾素作為散播的策略,但其中機轉仍未明朗。

圖一、(a)李斯特菌透過食物感染人類宿主,穿過腸壁屏障進入淋巴結,再經由血流散播至目標組織;在免疫力低下的個體中,李斯特菌則可能穿越血腦障壁與胎盤,造成致命性的腦膜炎、敗血症、早產或流產等情形。(b)李斯特菌感染細胞的途徑,主要由吞噬作用或受體媒介性內吞作用進入細胞,利用多種致病因子影響細胞生理,逃出時則促進肌動蛋白聚合,進而於細胞間散播。
圖片來源:https://doi.org/10.1038/nrmicro.2017.126

近期一篇發表於 Nature Communications 的研究 [4],透過一系列遺傳與分子細胞生物學分析,探討第一型干擾素途徑中可能促進李斯特菌於細胞間傳播的因子,並釐清第一型干擾素如何影響巨噬細胞於細菌感染初期的作用。

團隊首先探討第一型干擾素是否影響巨噬細胞的抗菌作用,取用 IFNβ 處理骨髓衍生巨噬細胞(bone marrow-derived macrophages, BMDMs),並以李斯特菌與大腸桿菌進行實驗,且於前者剔除編譯了 LLO 的 hly 基因(Δhly),使其無法逃出吞噬體。定量細胞內的細菌數發現,經 IFNβ 處理後,吞噬體清除細菌的能力受到限制,然而若是進一步剔除細胞上的第一型干擾素受體(Ifnar1-/-,IFNAR1 KO),細菌量則會降低,顯示第一型干擾素可能抑制吞噬體的抗菌作用。

團隊利用綠色螢光蛋白作為 ActA 的報導基因、以免疫螢光染色偵測細胞膜表面 ActA 含量,並建立剔除了特定致病因子而無法逃脫吞噬體的突變株,觀察 ActA 的表現情形,以了解 IFNβ 處理對 ActA 蛋白含量的影響。研究結果揭示:在吞噬體中,ActA 雖有表現但會被降解,當利用細胞自噬抑制劑 Bafilomycin A1 抑制蛋白質裂解與吞噬體成熟,則可再度觀察到 ActA;以 IFNβ 處理 BMDMs 亦發現 ActA 較不易被降解,且其細胞裂解液中 ActA 含量較高。針對 LLO 的觀察亦有相似結果,團隊便由此推論:第一型干擾素使細菌逃脫吞噬體所需的致病蛋白分子較不易被降解(圖二)。

圖二、第一型干擾素抑制吞噬體蛋白酶對於細菌致病因子的降解作用。(a)分析受到李斯特菌感染之細胞裂解液實驗流程概覽。(b, c, d, e)不同李斯特菌株中,有無經 IFNβ 處理時各致病因子的蛋白表現量與定量結果。
圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41467-021-24982-0

那麼,第一型干擾素對於吞噬體抗菌作用的影響,究竟是由哪個 ISG 介導呢?

病原體進入細胞時,往往會利用宿主細胞中蛋白酶的作用,促進膜融合。透過質譜儀分析吞噬體與溶酶體中的蛋白體組成,發現在 IFNβ 處理後的 BMDMs 中,干擾素誘導跨膜蛋白 3 (interferon-induced transmembrane protein 3, IFITM3)蛋白含量較明顯受到 IFNβ 處理的影響而增加,其功能與膜融合及蛋白運輸功能相關。

團隊因此深入探討 IFITM3 的生物功能,取用剔除 IFITM3 基因(IFITM3 KO)的小鼠之 BMDMs,並以無法逃出吞噬體之菌株感染細胞,發現經由 IFNβ 處理後,IFITM3 KO 小鼠吞噬體的抗菌能力未受抑制,可推測 IFITM3 介導了第一型干擾素對於吞噬體功能的影響。後續實驗也觀察到,IFITM3 KO 小鼠細胞中未發生由第一型干擾素促進 ActA 聚集於細胞膜表面的現象,且 LLO 分泌量也降低。綜上研究結果顯示,由第一型干擾素啟動的後續機制中,IFITM3 主要負責調節吞噬體的蛋白裂解作用與細菌逃出吞噬體的能力。此外,亦發現野生型李斯特菌於 IFITM3 KO 小鼠細胞間的散播程度降低。

進一步利用小鼠生物模型探討,則發現 IFITM3 KO 小鼠可免於李斯特菌感染的侵擾、存活率較高、組織中的細菌量較少、且 ActA 於細胞膜表面的表現量也較低。檢視促進發炎的細胞激素表現量與免疫細胞含量,分析可知 IFITM3 會藉由抑制細胞激素及免疫細胞的招募作用,促進李斯特菌的全身性感染(圖三)。

圖三、以動物模型驗證 IFITM3 是第一型干擾素促進李斯特菌感染的關鍵。(a)野生型、IFNAR1 KO 及 IFITM3 KO 小鼠的存活率分析。(b)李斯特菌主要感染器官中的細菌含量。(c, d)由 H&E 及 Lm 進行免疫組織染色鑑測小鼠肝臟的病灶及定量。(e, f)由 DAPI 及 Lm 進行免疫螢光染色鑑測小鼠肝臟的病灶及定量。(g, h)ActA 於野生型及 IFITM3 KO 小鼠表現量分析與定量。
圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41467-021-24982-0

這項研究提出了李斯特菌利用抗病毒的第一型干擾素逃脫吞噬體的作用,可能由 IFITM3 介導,促進其散播與感染,然而此現象僅限於受感染的吞噬細胞。其他研究則指出,IFITM3 會藉由調節溶酶體中的質子濃度梯度,協助溶酶體酸化與蛋白質裂解,與其他 ISGs 共同作用,促進鼠傷寒沙氏桿菌(Salmonella enterica serovar Typhimurium)感染 [5]。此外,亦有研究發現 Ifnar1 缺失的小鼠中,如李斯特菌、鼠傷寒沙氏桿菌等胞內菌的致病情形較輕微,顯示第一型干擾素的作用對於細菌感染的影響 [6]。

實驗中發現 IFITM3 會調節受感染組織中的細胞激素與免疫細胞的作用,具體機轉仍待釐清。此外,IFITM3 是否也會如第一型干擾素一般影響 T 細胞的凋亡現象,進而促使李斯特菌感染?其他可存活於細胞質、並於細胞間傳播的細菌,是否也會利用 IFITM3 促進感染?這些問題都留待未來研究一一解答。

圖四、第一型干擾素所介導的 IFITM3 作用機制概覽。在病毒感染過程中,IFITM3 會抑制病毒外殼蛋白的降解作用,並限制其透過膜融合進入細胞質中。李斯特菌感染時,IFITM3 所介導的蛋白質降解作用,會造成吞噬體中細菌致病因子的累積;當其進入細胞質中,肌動蛋白聚合的作用則使李斯特菌得以於細胞間散播。
圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41467-021-24982-0

 

參考文獻:

[1] McNab, F., Mayer-Barber, K., Sher, A., Wack, A., &O’Garra, A. (2015). Type I interferons in infectious disease. Nature Reviews Immunology, 15(2), 87–103. https://doi.org/10.1038/nri3787

[2] Schlech, W. F., Lavigne, P. M., Bortolussi, R. A., Allen, A. C., Haldane, E. V., Wort, A. J., …Broome, C.V. (1983). Epidemic Listeriosis — Evidence for Transmission by Food. New England Journal of Medicine, 308(4), 203–206. https://doi.org/10.1056/NEJM198301273080407

[3] Auerbuch, V., Brockstedt, D. G., Meyer-Morse, N., O’Riordan, M., & Portnoy, D. A. (2004). Mice lacking the type I interferon receptor are resistant to Listeria monocytogenes. The Journal of experimental medicine, 200(4), 527–533. https://doi.org/10.1084/jem.20040976

[4] Tan, J. M. J., Garner, M. E., Regeimbal, J. M., Greene, C. J., Márquez, J. D. R., Ammendolia, D. A., …Brumell, J. H. (2021). Listeria exploits IFITM3 to suppress antibacterial activity in phagocytes. Nature Communications, 12(1), 4999. https://doi.org/10.1038/s41467-021-24982-0

[5] Zhang, H., Zoued, A., Liu, X., Sit, B., & Waldor, M. K. (2020). Type I interferon remodels lysosome function and modifies intestinal epithelial defense. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 117(47), 29862–29871. https://doi.org/10.1073/pnas.2010723117

[6] Boxx, G. M., & Cheng, G. (2016). The Roles of Type I Interferon in Bacterial Infection. Cell host & microbe, 19(6), 760–769. https://doi.org/10.1016/j.chom.2016.05.016

 

撰文|陳品萱
審稿|黃文彥、黃云宣、洪維謙

About the author

陳 品萱

陳 品萱

2019國立陽明大學基因體科學研究所碩士畢,主要研究興趣為人類遺傳學與基因體學,對於congenital anomalies & developmental diseases的源起與遺傳背景格外好奇並持續探索中。曾參與2015 iGEM,並於大學期間擔任職涯沙龍副召及營隊教學長。喜愛科學傳播與寫作,期盼在Investigator與來自不同領域的人們交流,共同學習與成長。

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