DNA可作为一种免疫防御武器

【字体: 时间:2016年03月03日 来源:生物通

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  最近,来自瑞士日内瓦大学(UNIGE)的微生物学家,刚刚发现,一种群居的变形虫——生活在温带森林土壤中的一种单细胞微生物,也使用我们先天免疫防御机制,并且已经超过十亿年的时间。这一研究结果发表于3月1日的《Nature Communications》。

  

生物通报道:我们的先天免疫系统,主要由吞噬细胞构成,通过消灭细菌而保护着我们的身体。要做到这一点,它采用了两种机制。第一种机制是杀死吞噬细胞自己内部的异物。第二种机制是杀死细胞外的细菌。这两种策略已经为研究人员所知,但仅存在于人类和其他高等动物身上。最近,来自瑞士日内瓦大学(UNIGE)的微生物学家,刚刚发现,一种群居的变形虫——生活在温带森林土壤中的一种单细胞微生物,也使用这些机制,并且已经超过十亿年的时间。由于这种变形虫具有类似于人类的先天防御系统,而且能够被遗传修饰,因此研究人员可以用它们开展实验,来了解和对抗免疫系统的遗传性疾病。这一研究结果发表于3月1日的《Nature Communications》。

为了保护自己,我们的免疫细胞有两种机制。第一种称为吞噬作用,可杀死吞噬细胞本身的细菌。细胞可包裹异物,并利用由酶NOX2产生的活性氧(臭氧、过氧化氢、漂白剂)特定地消灭它。然而,当入侵者太大很难处理时,细胞会利用第二种防御机制,包括排出它们的遗传物质,也就是说它们的DNA。这些DNA转变为粘性的和有毒的网,称为“中性粒细胞外陷阱”(NETs)。然后,这些DNA会捕获细胞外的细菌并杀死它们。

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先天免疫系统的祖先
瑞士日内瓦大学生物化学系Thierry Soldati教授的研究团队,与美国贝勒医学院的研究人员合作,研究阿米巴变形虫Dictyostelium discoideum。这些微生物是细菌的天敌。但是当食物短缺时,它们会聚在一起形成一种“微型动物”,有超过100000个细胞,称为鼻涕虫。然后,这将变成一个“子实体”——由茎顶端的大量孢子组成。休眠的孢子会在没有食物的情况下存活,直到风或其他自然力量将它们分散到新的地方,在那里它们能发芽并找到一些食物。

为了构成这一鼻涕虫,约20%的细胞牺牲自己来进行创建,80%的细胞将变成孢子。然而,有少量剩余的1%的细胞,保持其吞噬功能。本文共同作者Thierry Soldati解释说:“这最后一个百分比是由叫做“哨兵”细胞的细胞组成的。它们构成了鼻涕虫的固有免疫系统,并在动物体内扮演类似免疫细胞的角色。事实上,它们也用吞噬作用和DNA,来杀灭可能危及鼻涕虫生存的细菌。因此我们发现,这种被我们认为是高等动物的一项创造的东西,实际上是十亿年前就已经在单细胞生物中活跃的一种策略。”

从变形虫到人类
这一发现对于理解人类的免疫系统疾病,有着重要的作用。慢性肉芽肿性疾病(CGD)患者无法表达功能性NOX2酶。因此,他们会反复感染,因为他们的免疫系统缺乏能够杀死吞噬体内细菌或通过DNA网的活性氧。通过基因改良变形虫Dictyostelium discoideum,UNIGE的微生物学家能够对先天免疫系统的机制,进行各种各样的实验。因此,这种微生物可以作为一个科学模型,研究这些防御过程中的缺陷,从而为可能的治疗方法开辟了新的途径。

此前就有研究利用变形虫作为模型,例如,发表在2014年4月9日《Nature》杂志的一项最新研究,揭示了痢疾变形虫发挥其破坏作用的方式:通过蚕食活细胞。这项研究为痢疾变形虫传染病的治疗新药提供了一个潜在靶标,并转变了人们对这种寄生虫如何起破坏作用的理解(Nature:痢疾变形虫通过蚕食活细胞杀死细胞)。另有研究发现,溶组织内阿米巴(痢疾变形虫)能通过咬食和吞掉细胞碎片攻击人类肠道,并在发展中国家引发致命腹泻,2014年4月10日的《自然》杂志报告了它们吞下肠道细胞的过程,或将对治疗溶组织内阿米巴感染提供新目标(痢疾变形虫可吃掉活肠道细胞)。


(生物通:王英)

生物通推荐原文摘要:
Social amoebae trap and kill bacteria by casting DNA nets
Abstract: Extracellular traps (ETs) from neutrophils are reticulated nets of DNA decorated with anti-microbial granules, and are capable of trapping and killing extracellular pathogens. Various phagocytes of mammals and invertebrates produce ETs, however, the evolutionary history of this DNA-based host defence strategy is unclear. Here we report that Sentinel (S) cells of the multicellular slug stage of the social amoeba Dictyostelium discoideum produce ETs upon stimulation with bacteria or lipopolysaccharide in a reactive oxygen species-dependent manner. The production of ETs by S cells requires a Toll/Interleukin-1 receptor domain-containing protein TirA and reactive oxygen species-generating NADPH oxidases. Disruption of these genes results in decreased clearance of bacterial infections. Our results demonstrate that D. discoideum is a powerful model organism to study the evolution and conservation of mechanisms of cell-intrinsic immunity, and suggest that the origin of DNA-based ETs as an innate immune defence predates the emergence of metazoans.

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