沙门氏菌SPI-1注射体通过重编程宿主细胞翻译逃避炎症反应的机制研究

《Nature Communications》：The Salmonella pathogenicity island 1 injectisome reprograms host cell translation to evade the inflammatory response

本研究针对沙门氏菌如何通过III型分泌系统（T3SS）调控巨噬细胞免疫应答的科学问题，通过时间分辨的平行转录组与翻译组分析，揭示了SPI-1注射体依赖的感染可快速诱导转录因子EGR1的翻译上调。该蛋白通过其mRNA非翻译区（UTR）介导的翻译激活，抑制促炎基因转录，从而限制炎症和细胞死亡，为系统性感染建立创造时间窗口。这项发表于《Nature Communications》的工作阐明了病原体利用宿主翻译重编程逃逸免疫监视的新机制，为宿主-病原体互作研究提供了新视角。

　　

当沙门氏菌入侵宿主细胞时，一场关于资源争夺的微观战争即刻打响。宿主细胞需要快速合成免疫相关蛋白来抵御入侵，而病原体则通过分泌效应蛋白来改写宿主细胞的生理状态以利于自身生存。在这对宿敌的共进化竞赛中，沙门氏菌作为重要的胞内病原体，其致病核心在于其能侵入宿主细胞并在其中复制。以往研究多聚焦于感染过程中的转录调控，然而，对于蛋白质合成（翻译）这一更为快速的基因表达调控层面，尤其在感染早期的关键事件中，其作用尚不清晰。

传统观点认为，沙门氏菌致病岛1（SPI-1）编码的III型分泌系统（T3SS），又称注射体（injectisome），在上皮细胞入侵中起关键作用。但它在巨噬细胞——这一支持系统性感染的主要宿主细胞——感染中的重要性却颇具争议。尽管已知注射体依赖的膜损伤会触发应激反应和细胞死亡，但宿主细胞如何响应这种膜穿孔信号，以及这种响应如何影响感染结局，仍是未解之谜。发表在《Nature Communications》上的这项研究，通过精密的时空分辨率分析，揭示了沙门氏菌SPI-1注射体通过触发宿主翻译重编程，从而巧妙逃逸炎症反应的新机制。

研究人员主要运用了几项关键技术来解答上述问题：首先，他们采用了时间分辨的平行转录组测序（RNA-Seq）和核糖体图谱（Ribo-Seq）技术，对野生型（WT）和SPI-1注射体缺陷（ΔprgJ）沙门氏菌感染的巨噬细胞（包括永生化巨噬细胞iBMDM和小鼠原代骨髓来源巨噬细胞BMDM）进行了动态监测，从而在全基因组水平同时解析mRNA丰度和蛋白质合成的变化。其次，利用CRISPR-Cas9技术构建了EGR1基因敲除（EGR1^KO）的巨噬细胞株，以探究EGR1的具体功能。第三，他们设计了一种可诱导的注射体阻断系统（SptP-GFP阻断底物），通过在不同时间点诱导表达，用以区分注射体膜穿孔与效应蛋白分泌各自对宿主反应的贡献。此外，研究还结合了免疫印迹（Western blot）、酶联免疫吸附试验（ELISA）、荧光显微镜、免疫荧光、庆大霉素保护试验以及细胞毒性检测（LDH释放）等经典细胞分子生物学方法进行验证。最后，通过双荧光素酶报告基因系统，将Egr1的5‘和3’非翻译区（UTR）与荧光素酶基因融合，体外转录mRNA后转染细胞，用以验证UTR在介导翻译上调中的作用。

沙门氏菌感染快速触发宿主细胞反应

研究发现，沙门氏菌与巨噬细胞的相互作用在感染后5分钟内即可发生，15分钟内基本完成内化。注射体缺失突变体（ΔprgJ）的入侵效率低于野生型。尽管WT沙门氏菌感染会导致大部分巨噬细胞在1小时内死亡，但仍有约25%的细胞存活，这表明存活的细胞可能启动了快速的基因表达响应以应对感染压力。

沙门氏菌SPI-1依赖性感染触发独特的宿主翻译程序

通过比较WT和ΔprgJ感染巨噬细胞的翻译组数据，研究人员发现了一批注射体依赖的、翻译效率显著上调的基因。其中，编码早期生长反应蛋白1（EGR1）、核受体NR4A1以及白细胞介素-1β前体（pro-IL-1β）的mRNA翻译上调最为显著。这表明注射体不仅激活转录，还特异性地增强了这些关键免疫调节因子的翻译。

EGR1蛋白在巨噬细胞-沙门氏菌相互作用过程中高度依赖注射体积累

对Egr1的深入分析显示，其mRNA和蛋白在WT感染后快速且瞬时诱导，分别在60分钟和120分钟达到峰值。其蛋白积累高度依赖功能完整的SPI-1注射体，因为ΔprgJ突变体感染仅引起微弱的Egr1表达。EGR1蛋白的半衰期较短，暗示其作用发生在感染早期。

EGR1抑制巨噬细胞对沙门氏菌感染的炎症反应

利用EGR1^KO巨噬细胞，研究证实缺失EGR1会导致更严重的细胞死亡和更高水平的IL-1β分泌。转录组分析进一步揭示，EGR1缺失使得大量免疫反应和细胞死亡相关基因的转录上调，特别是在感染后期（240分钟）。这表明EGR1作为一个转录抑制因子，在限制炎症反应和细胞死亡中扮演了关键角色。

巨噬细胞感染过程中沙门氏菌的转录和翻译动力学

对细菌基因表达的分析揭示了沙门氏菌在感染过程中的动态适应。接触巨噬细胞后5-15分钟内，沙门氏菌迅速上调SPI-1结构基因（如prgI, prgJ, prgK）的表达，表明细菌在宿主细胞表面快速组装新的注射体。同时，一些细胞内生存相关基因（如htrA, hisG, cpxP）的翻译效率在感染早期（30分钟内）即有所提高。随着感染进程（30-60分钟），SPI-2基因转录上调，而多数SPI-1基因和鞭毛基因表达下降，符合沙门氏菌从入侵向胞内生存转变的经典模式。

全局翻译反应先于转录反应发生在注射体穿刺之后

对宿主基因表达动力学的细致分析发现，注射体依赖的翻译调控在感染后5分钟即已启动，且早于相应的转录变化。在感染早期（60分钟内），翻译效率差异表达的基因显著富集于转录因子活性相关功能，而转录水平的差异表达基因则无此富集。这提示注射体触发的快速翻译重编程，通过优先上调转录因子的合成，为后续重塑宿主转录景观奠定了基础。

可诱导的SPI-1注射体阻断解耦了注射体-膜相互作用与后续分泌效应物的影响

为了区分注射体膜穿孔本身与效应蛋白分泌各自的作用，研究人员使用了可诱导的注射体阻断系统。结果表明，在感染前阻断注射体（既不能穿孔也不能分泌效应物）会显著削弱Egr1的上调；而在感染后5分钟阻断（允许膜穿孔但阻止后续效应物分泌），Egr1的诱导并未受到显著影响。这说明Egr1上调的触发信号源于注射体对巨噬细胞质膜的穿刺，而非效应蛋白的注入。

Egr1 UTR足以驱动SPI-1依赖性翻译上调

通过双荧光素酶报告基因系统，研究人员将Egr1的5‘和3’UTR序列与荧光素酶基因连接，并转染至巨噬细胞。发现当细胞遭遇注射体穿刺（感染后5分钟阻断模型）时，带有Egr1 UTR的报告基因mRNA翻译效率显著提高。这证实Egr1 mRNA的UTR中含有响应注射体穿刺信号的顺式作用元件，足以介导其翻译上调。

研究结论与意义

本研究揭示了沙门氏菌感染早期一个此前未被重视的关键事件：SPI-1注射体穿刺巨噬细胞质膜，触发宿主快速的翻译重编程，特别是优先上调包括EGR1在内的一系列转录因子的合成。EGR1的快速、瞬时表达进而抑制促炎基因转录和细胞死亡，为沙门氏菌在巨噬细胞内建立感染创造了关键的“时间窗口”。这种由病原体直接物理作用（膜穿孔）触发的、以翻译调控为核心的宿主免疫调节新机制，深化了我们对宿主-病原体相互作用复杂性的理解。

该研究的模型总结道：沙门氏菌在接触巨噬细胞后迅速增强SPI-1注射体的表达和组装。注射体在宿主膜上形成瞬时孔道，激活宿主信号通路，导致Egr1转录增加和翻译效率显著提升。快速合成的EGR1蛋白负向调控免疫基因转录，从而抑制炎症反应和细胞死亡，促使感染向有利于细菌生存的方向发展。这项工作不仅阐明了沙门氏菌逃逸先天免疫的一种新策略，也凸显了在感染动力学研究中整合翻译组学分析的重要性，为未来抗感染策略的开发提供了新的潜在靶点。