亚硝酸盐：肠道病原菌逃避宿主天然免疫增强致病力的重要信号分子

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在肠道病原菌感染过程中炎性细胞因子合成释放增加，有利于清除肠道感染。同时炎性细胞因子的上调能促进肠上皮细胞内一氧化氮合酶（inducible Nitric Oxide Synthase, iNOS）的表达上调。一氧化氮合酶催化L-精氨酸 (L-Arginine) 生成一氧化氮 (Nitric Oxide)。一氧化氮分子在肠道二氧化碳的作用下与炎性条件下产生的过氧化物（superoxide）作用生成硝酸盐分子（Nitrate）。2013年加州大学戴维斯分校Bäumler团队在Science上发表文章指出在感染过程中肠道病原菌能够和肠道正常菌群竞争生长的一个重要原因是因为肠道病原菌能够表达硝酸盐还原酶 (Nitrate Reductase)。硝酸盐还原酶把炎症过程中宿主细胞产生的硝酸盐还原成亚硝酸盐，从而为病原菌在肠道厌氧环境下提供生长必须的能源。而肠道正常菌群一般不表达硝酸盐还原酶因而在炎性肠道中在和病原菌竞争生长过程中处于劣势。这也是病原菌能够突破正常肠道菌群屏障而引进感染性疾病的一个重要原因。但是亚硝酸盐作为信号分子在肠道病原菌感染过程中调控毒力基因的表达及其致病力的作用相对知之甚少。

近日，Nature Communications在线发表了来自美国康涅狄格大学周晓辉团队的题为S-nitrosylation-mediated activation of a histidine kinase represses the type 3 secretion system and promotes virulence of an enteric pathogen 研究论文，揭示了肠道病原菌-副溶血弧菌如何利用宿主在炎性过程产生的亚硝酸盐作为信号分子调控其致炎因子表达的分子机制。研究者们利用动物实验发现在感染的早期阶段副溶血弧菌的三型分泌系统（三型分泌系统是革兰氏阴性菌的一个主要致病因子，能刺激宿主产生炎症反应）表达上调并刺激肠道上皮细胞合成和分泌炎性细胞因子（proinflammatory cytokines）。这些炎性细胞因子可激活肠上皮细胞一氧化氮合酶的表达。一氧化氮合酶催化L-精氨酸生成一氧化氮，一氧化氮迅速转化为硝酸盐（图2）。副溶血弧菌利用其硝酸盐还原酶将硝酸盐还原为亚硝酸盐。非常惊人的发现是亚硝酸盐在这里并不是如前所述的作为能量分子为副溶血弧菌提供能源从而获得在和正常菌群竞争过程中的生长优势。相反，亚硝酸盐在这里作为信号分子被副溶血弧菌的受体组氨酸激酶VbrK识别。研究者们在体外利用细胞和生物化学实验发现亚硝酸盐可以诱导VbrK发生亚硝基化（S-nitrosylation），亚硝基化的VbrK进一步导致其磷酸化从而被激活（图2）。激活的VbrK将其磷酸基团进一步转移给其下游的调控因子VbrR。VbrR与三型分泌系统调控因子ExsC的启动子结合，从而使三型分泌系统的基因表达下调。因为三型分泌系统能上调炎性细胞因子的表达，因而通过亚硝酸盐使三型分泌系统基因表达下调可导致炎性细胞因子表达的下降。炎性细胞因子表达的下降可使副溶血弧菌逃避宿主的天然免疫从而增强其在肠道内的定植和致病能力（图3）。研究者们进一步通过蛋白质质谱研究发现VbrK蛋白第86位的半胱氨酸（cysteine）可以被亚硝酸盐硝基化。当VbrK第86位的半胱氨酸被替换为丝氨酸 (serine) 后VbrK不被硝基化，也不能导致其进一步磷酸化激活。基于上述结果，研究者们用VbrK第86位被替换为丝氨酸的点突变体副溶血弧菌感染动物，结果发现感染过程中三型分泌系统基因表达大量上调，炎性细胞因子大量表达。大量表达的炎性细胞因子可以清除肠道内的病原菌因而在感染的后期细菌在肠道内的定植下降，致病能力也减弱（图1）。这也解释了之前团队与哈佛大学Waldor课题组合作发现的三型分泌系统负调控子缺失可使副溶血弧菌定植能力下降的原因。

非常有意思的是团队之前在PNAS发表的论文中显示VbrK同时也是青霉素类抗生素的受体。青霉素等抗生素可使VbrK发生磷酸化并使其激活，从而使三型分泌系统基因表达下降。因此这也提供了使用抗生素可使肠道病原菌致病力提高的一种潜在的分子机制。团队将在亚硝基化引起VbrK活化的分子机制以及联合使用青霉素类抗生素对副溶血弧菌致病力影响等方面进一步深入研究。