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本综述系统阐述了胞内病原体伯氏柯克斯体如何利用其Dot/Icm IVB型分泌系统(T4BSS)向宿主细胞递送效应蛋白(T4Es),以操控多种细胞通路,从而成功建立支持其复制的含柯克斯体空泡(CCV)。文章详细介绍了效应蛋白在调控网格蛋白介导的囊泡运输、自噬、细胞凋亡与焦亡、NF-κB信号通路、RIG-I样受体感知及宿主代谢等方面的分子机制,为深入理解该重要病原体的致病机理及开发新型治疗策略提供了重要见解。
引言
Coxiella burnetii(伯氏柯克斯体)是引起人畜共患病Q热的专性胞内革兰氏阴性菌。其毒力完全依赖于Dot/Icm IVB型分泌系统(T4BSS),该系统能将大量效应蛋白(T4Es)转运至宿主细胞,调控细胞通路以支持含柯克斯体空泡(CCV)的生物发生和细菌的胞内复制。
伯氏柯克斯体的遗传学及其毒力效应蛋白的鉴定
T4SSs是许多细菌中高度异质且结构多样的纳米机器。伯氏柯克斯体的Dot/Icm系统基因与Legionella pneumophila(嗜肺军团菌)的相似,但其大多数dot/icm基因集中在一个连续的33-kb DNA片段内。与嗜肺军团菌不同,伯氏柯克斯体编码23个Dot/Icm蛋白,但缺乏IcmR、DotJ和DotV的同源物。酸性半胱氨酸柠檬酸盐培养基(ACCM)的发展使得伯氏柯克斯体能够进行无宿主培养,极大地促进了其遗传操作和效应蛋白功能研究。通过生物信息学分析和以嗜肺军团菌为替代模型的筛选,目前已鉴定出130个伯氏柯克斯体T4Es,占参考菌株RSA493编码序列的6.092%。值得注意的是,单个T4E基因的缺失常导致伯氏柯克斯体胞内复制的严重缺陷,这与嗜肺军团菌的情况形成鲜明对比。
网格蛋白介导的囊泡运输的调控
网格蛋白介导的内吞作用是真核细胞的关键过程。伯氏柯克斯体积极招募某些网格蛋白包被的囊泡至CCVs,从而分离内膜系统,促进囊泡携带的营养物质(包括货物蛋白和脂质)转移至CCV,支持其扩张和细菌复制。
效应蛋白CvpA通过其内吞分选基序与膜结合的AP2复合体结合,干扰AP2-网格蛋白介导的囊泡运输途径。CvpA定位于外周分选内体(SE)和近中心体回收内体(RE),并最终定位於CCV膜,其表达会损害转铁蛋白(Tf)的摄取。
另一个效应蛋白Cig57与FCHO2相互作用,后者是网格蛋白包被囊泡的早期起始成分。Cig57通过其酪氨酸基内吞分选基序与FCHO2的N端区域结合,以FCHO2依赖的方式招募网格蛋白至CCV,这对于形成正常的CCV至关重要。
自噬的调控
自噬是将细胞内物质包裹在自噬体内并运至溶酶体降解的分解代谢过程。伯氏柯克斯体感染后数小时内,CCV与自噬体发生融合,该过程需要细菌的de novo蛋白合成。
效应蛋白Cig2(亦称CvpB)对于CCV的同型融合和LC3向细菌吞噬体的招募至关重要。Cig2通过其C端结构域与PI(3)P结合,并干扰PI5-激酶PIKfyve的功能,导致PI(3)P在特定亚细胞区室(如早期内体EE和CCV)积聚,从而促进内体结构向CCV的输送和CCV的同型融合。此外,CvpB还参与从感染细胞中清除溶酶体半胱氨酸蛋白酶组织蛋白酶B(CTSB)的过程。
效应蛋白CvpF招募Rab26至CCVs,促进脂化形式的LC3(LC3BII)积累。CvpF优先与失活形式的Rab26结合,可能作为鸟嘌呤核苷酸交换因子(GEF)或GDI置换因子(GDF)激活并锚定Rab26至CCVs。活化的Rab26与ATG16L1相互作用,这对于LC3BII锚定至膜至关重要。
质粒QpH1编码的效应蛋白CpeB也定位于CCV,并通过与Rab11a相互作用促进LC3BII在细菌吞噬体上的积累。
伯氏柯克斯体对宿主细胞死亡通路的操纵
细胞凋亡是一种由半胱天冬酶(Caspase)级联激活触发的程序性细胞死亡形式。伯氏柯克斯体通过多种T4Es抑制凋亡以促进其在宿主细胞内的生存和复制。
效应蛋白AnkG在应激条件下,在宿主蛋白p32的协助下从线粒体转运至细胞核。在核内,AnkG与宿主DExD框RNA解旋酶21(DDX21)和7SK小核核糖核蛋白(7SK snRNP)复合体相互作用,促进转录延伸因子b(P-TEFb)的释放,从而调控涉及凋亡、细胞运输和转录的基因表达。
效应蛋白CaeA定位于细胞核,通过阻止执行者Caspase-7的活化来抑制内在和外在凋亡,而不影响起始者Caspase-9的切割。
效应蛋白CaeB定位于线粒体和内质网(ER),主要在Bax/Bak激活后抑制线粒体外膜透化(MOMP),从而抑制内在凋亡。
在感染晚期,营养物质耗竭,细菌释放可能与被STING信号通路激活等机制诱导的凋亡有关。
焦亡是一种炎症性程序性细胞死亡。伯氏柯克斯体NMII菌株可通过依赖于Dot/Icm系统、TLR-2和NLRP3激活的过程诱导Caspase-1依赖性焦亡。效应蛋白IcaA可抑制Caspase-11介导的非经典炎症小体激活。效应蛋白MceF将宿主谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)招募至线粒体内膜,以减少由线粒体活性氧(mROS)诱导的氧化应激,从而抑制随后的细胞死亡和NLRP3炎症小体激活。
NF-κB信号的调控
NF-κB是调控免疫、细胞增殖和凋亡等多种基因表达的转录因子。伯氏柯克斯体感染强烈诱导NF-κB活化,但随着感染进行,这种活化被抑制,可能与T4Es的活性有关。
效应蛋白NopA与细胞核仁相关,通过其C端的RCC样结构域与Ran GTPase相互作用,优先结合失活的Ran-GDP。这种相互作用干扰了NF-κB的核输入。
效应蛋白CinF作为一种蛋白磷酸酶,使IκBα去磷酸化,从而使其抵抗泛素化和随后的蛋白酶体降解,进而抑制NF-κB的活化。
效应蛋白CirB与20S核心蛋白酶体的多个亚基相互作用,抑制其水解活性,从而阻止IκBα的降解。
RIG-I感知RNA的抑制
I型干扰素(IFNs)是一组可由多种细菌病原体诱导激活细胞自主防御机制的细胞因子。伯氏柯克斯体感染不诱导I型IFNs的产生,但用IFN-β处理THP-1巨噬细胞会使细胞对伯氏柯克斯体的生长产生限制。
效应蛋白EmcB是一种去泛素化酶,靶向RIG-I上的K63连接泛素链,以阻断通过MAVS的信号传导。效应蛋白NopA可通过阻止转录因子IRF3进入细胞核来抑制IFN-α的产生。效应蛋白CBU1314可阻断介导干扰素刺激反应元件依赖性转录的聚合酶相关因子1(PAF1)复合体。
宿主代谢的调控
胆固醇是真核细胞膜的主要脂质成分。伯氏柯克斯体利用胆固醇进行细胞进入和胞内复制。在CCV形成早期,胆固醇浓度增加会导致CCV过度酸化。感染后期,与胆固醇生物合成和摄取相关的基因表达短暂上调,以满足CCV扩张的需求。氧甾醇结合蛋白(OSBP)相关蛋白1长型(ORP1L)被招募至CCV膜,这对于胆固醇依赖性内体运输和内质网与晚期内体/溶酶体之间膜接触位点(MCSs)的形成至关重要。
伯氏柯克斯体感染还会导致宿主细胞脂滴积累减少,该过程需要细菌的蛋白合成。效应蛋白CbEPF1与脂滴共定位,并通过其FFAT基序与宿主VAP蛋白相互作用,建立脂滴与内质网之间的膜接触位点,调控脂滴生长。
伯氏柯克斯体是11种氨基酸的营养缺陷型,自噬机制可能对于将这些必需氨基酸运输至CCV至关重要。
结语
伯氏柯克斯体建立的寄生液泡类似于溶酶体区室。该菌利用一系列T4Es精细调控内吞、自噬、细胞死亡、免疫信号和代谢等多种宿主通路,以成功建立和维持其复制 niche——CCV。对效应蛋白生化活性、时空调节及其协同作用的深入研究,将为开发针对此重要病原体的抗毒力治疗策略开辟新途径。