Bordetella T3SS效应蛋白BteA通过Akt/mTOR通路诱导IL-1Ra表达以促进肺部持久定植的机制研究

《Communications Biology》：The Bordetella type III secretion system effector BteA targets host eosinophil-epithelial signaling to promote IL-1Ra expression and persistence

本研究针对呼吸道病原体百日咳鲍特菌（Bordetella spp.）如何通过免疫抑制机制实现长期感染的难题，揭示了其III型分泌系统（T3SS）效应蛋白BteA通过激活宿主Akt/mTOR信号通路，特异性诱导上皮细胞-嗜酸性粒细胞轴产生IL-1Ra（白细胞介素-1受体拮抗剂），从而抑制IL-1介导的免疫清除反应，促进细菌在肺部的持久定植。该发现不仅阐明了病原体免疫逃逸的新策略，还为治疗顽固性呼吸道感染提供了以IL-1Ra为靶点的免疫治疗新思路。

　　

呼吸道感染一直是全球公共卫生的重大挑战，而百日咳鲍特菌（Bordetella spp.）作为典型的呼吸道病原体，以其能在宿主肺部长期存留并引发慢性疾病而著称。这类细菌的“隐身”能力究竟从何而来？它们是如何巧妙躲过宿主免疫系统的追击，成功实现持久定植的？长期以来，科学界对鲍特菌的免疫抑制机制知之甚少，尤其是其如何精准调控宿主炎症反应的关键环节。

近年来，研究者们逐渐意识到，白细胞介素-1（IL-1）家族细胞因子在抗感染免疫中扮演着双重角色：一方面，IL-1α和IL-1β能够驱动保护性炎症反应；另一方面，它们的天然拮抗剂IL-1Ra则可能为病原体提供“保护伞”。然而，病原体是否主动操纵IL-1Ra的表达以利于自身生存，仍是一个待解之谜。发表在《Communications Biology》上的这项研究，正是从这一科学问题出发，深入探究了鲍特菌调控宿主IL-1Ra表达的分子机制及其在感染过程中的生物学意义。

为了揭示这一机制，研究人员综合运用了多种关键技术方法。在感染模型方面，研究采用了BALB/c、C57BL/6J野生型及Il1rn^-/-基因敲除小鼠，通过滴鼻接种鲍特菌构建呼吸道感染模型；同时利用婴儿小鼠模型模拟严重感染情况。在细胞水平，研究使用了人肺腺癌细胞系A549和小鼠骨髓来源的嗜酸性粒细胞（bmEos）进行体外共培养感染实验。关键实验技术包括：定量逆转录PCR（qRT-PCR）检测基因表达、酶联免疫吸附试验（ELISA）检测细胞因子蛋白水平及磷酸化蛋白、免疫荧光染色与三维成像分析组织切片中细胞及蛋白定位、以及特异性抑制剂（如Akt抑制剂MK-2206、mTOR抑制剂雷帕霉素）处理以验证信号通路功能。

Bordetella感染早期诱导IL-1Ra表达以促进肺部持久性

研究人员首先发现，在鲍特菌支气管败血性杆菌（B. bronchiseptica）RB50株感染小鼠后第7天，肺部IL-1Ra的转录和蛋白水平均显著升高。重要的是，在IL-1Ra缺陷（Il1rn^-/-）小鼠中，肺部细菌载量显著低于野生型小鼠，而外源性补充IL-1Ra则会加重野生型小鼠的感染负担。这表明，内源性IL-1Ra的产生有利于细菌的肺部持久定植。

嗜酸性粒细胞和上皮细胞是感染早期IL-1Ra的主要细胞来源

通过免疫荧光染色和三维成像分析肺组织切片，研究团队精确鉴定出产生IL-1Ra的细胞类型。结果显示，在感染早期（7 dpi），IL-1Ra信号主要富集于支气管周围区域，并且与嗜酸性粒细胞（MBP⁺）和上皮细胞（EpCAM⁺）共定位。体外实验进一步证实，鲍特菌能直接刺激A549肺上皮细胞和骨髓来源的嗜酸性粒细胞上调IL-1Ra的表达。这揭示了病原体靶向“上皮细胞-嗜酸性粒细胞”轴这一特定免疫调节通路。

Bordetella T3SS是IL-1Ra表达所必需的

为了确定细菌的毒力因子，研究者比较了野生型RB50、T3SS结构缺陷株（RB50ΔbscN）和T3SS效应蛋白BteA缺失株（RB50ΔbteA）的感染效果。发现T3SS结构蛋白BscN和关键效应蛋白BteA的缺失，均显著削弱了细菌在体内（小鼠肺部）和体外（A549细胞和bmEos）诱导IL-1Ra的能力，而回补bteA基因则可恢复此功能。这表明鲍特菌的T3SS，特别是其注入宿主细胞的效应蛋白BteA，是操纵IL-1Ra表达的关键武器。

BteA通过诱导Akt磷酸化促进IL-1Ra产生

机制探索表明，BteA能特异性地激活宿主细胞内的Akt信号通路。感染RB50后，A549细胞中Akt在Ser473位点的磷酸化水平显著升高，而这种激活依赖于BteA的存在。使用Akt特异性抑制剂MK-2206处理细胞，可显著抑制RB50诱导的IL-1Ra mRNA表达。这证明BteA通过触发Akt磷酸化来驱动IL-Ra的转录。

Akt/mTOR激活是IL-1Ra产生所必需的

研究进一步发现，BteA介导的Akt激活下游是mTOR信号通路。免疫荧光和ELISA检测均显示，RB50感染能诱导mTOR在Ser2448位点磷酸化，且此效应同样依赖于BteA。用mTOR抑制剂雷帕霉素处理细胞，能有效逆转RB50引起的IL-1Ra表达上调。综上所述，BteA通过“Akt→mTOR”信号级联反应，最终实现其对IL-1Ra表达的精准调控。

本研究系统阐明了鲍特菌一种精巧的免疫逃逸新机制：其T3SS效应蛋白BteA作为“分子开关”，通过激活宿主肺上皮细胞和嗜酸性粒细胞中的Akt/mTOR信号通路，特异性上调抗炎因子IL-1Ra的表达，从而抵消IL-1介导的保护性免疫反应，为细菌在呼吸道黏膜的长期定植创造有利的微环境。这一发现不仅深化了对病原体与宿主互作复杂性的理解，更重要的是，将IL-1Ra确立为潜在的免疫治疗靶点。研究表明，在感染过程中使用抗IL-1Ra中和抗体可有效减轻细菌负荷，这为临床干预诸如百日咳等顽固性呼吸道感染，甚至其他由抗生素耐药菌引起的持久性感染，提供了全新的策略和理论依据。