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抗菌天网:免疫系统的“血肉长城”

时间:2015-03-24 12:06来源:网络 作者:未知 阅读:

在人类的免疫系统中,中性粒细胞们算得上是最“悲壮”的群体之一。它们占人体内白细胞总量的60%左右,在骨髓中生长直至成熟,随血液流动周游全身。当病原微生物侵入体内造成感染时,中性粒细胞会第一时间聚集在感染的发生部位,试图驱赶和杀灭那些进入人体的不速之客。在未经活化的状态下,最多两三天的时间,这些细胞就会死亡,然后被免疫系统清除。与此同时,新的中性粒细胞会从骨髓中分泌而出,代替它们的前辈执行监察和守卫的职责,死而后已。

中性粒细胞的3D模型。图片来源:blausen.com

最后的杀招:自我牺牲织“天网”

作为保卫人体的战士之一,中性粒细胞手上有什么“家伙”?与人类的现代战争不同,人体内的“战争”往往以肉搏战的形式开始。中性粒细胞通常聚集在病原入侵地点,试图进行吞噬并消化。对它们来说,“吃掉敌人”的打法当然是最经济的选择——既完成了消灭任务,又饱餐一顿。

如果肉搏战役进展不顺利,中性粒细胞会进行脱粒作用——分泌体内包含有杀菌物质的颗粒,对细菌进行“远程杀伤”。这些物质主要包括溶菌酶,水解酶和过氧化物酶类。

早些年,人们认为中性粒细胞主要通过以上两种方式进行杀菌:吞噬病原然后消化,或者分泌抗菌分子。而随着研究的进一步深入,2004年,科学家们发现了中性粒细胞的充满悲剧英雄色彩的“终极武器”——中性粒细胞胞外陷阱(Neutrophil Extracellular Traps,NETs,缩写意为“网”)。

2004年,《科学》的一篇封面文章揭示了中性粒细胞不为人知的“秘密武器”。图片来源:Science

在特定的情况下,中性粒细胞会毅然赴死(这一过程被称为“NETosis”),自我牺牲并释放体内的物质,组成一张“天网”擒获周围的微生物。这张网可谓是中性粒细胞的“血肉”筑成的:NETs中包含大量的DNA、组蛋白,以及大量其他蛋白质。大量的组蛋白不仅自身具有抗菌作用,还能够为NETs提供巨大的质量,使NETs能更为有效的限制病原菌的活动。其他蛋白质中则包含能够对细菌产生直接杀伤的蛋白酶体以及能够结合金属离子造成细菌养分不足的金属结合蛋白。

在这倾尽一切的最后杀招中,连在正常细胞中最为重要的遗传物质,也身先士卒上了战场。今年年初的一项研究指出,在NETs中,DNA可能发挥着黏附和杀灭两大作用。目前的观点更倾向于认为,是DNA与NETs上的结合蛋白一起,构成了“天网”杀灭细菌的最主要力量。

NETs 束缚从外界侵入的“不速之客”。左上:中性粒细胞;右上:NETs;中:被NETs束缚的弗氏志贺菌;左下:被NETs束缚的金黄色葡萄球菌;右下:被 NETs束缚的白色假丝酵母。图片来源:Volker Brinkmann & Arturo Zychlinsky,Nature Reviews Microbiology

“自爆”失控,反伤主人

需要指出的是,与许多免疫机制一样,NETs的形成也是一把双刃剑。不能有效形成NETs的人群固然受到更高感染几率的威胁,但如果NETs的形成缺乏适当的调控,也会引发灾难性的后果。所谓“请神容易送神难”,自身免疫疾病是NETs缺乏调控导致的主要后果。科学家发现,在全身性红斑狼疮患者的体内,NETs形成的反应略有不同。在发生免疫反应时,全身性红斑狼疮患者的中性粒细胞似乎更“乐意”壮烈牺牲,更多的NETs随之形成,而对应的吞噬作用则被极大的减弱。

此外,在对这些患者体内NETs进行检测后,研究人员发现,它所具有的各类抗菌物质浓度都更高。更致命的是,30%的全身性红斑狼疮患者体内,DNA水解酶DNAse I活性都因为太低导致NETs无法降解,这样,大量存在的NETs在清理完既定目标后,反而会对患者的细胞和组织进行杀伤。

如何开发一种药物,去抑制NETs失控带来的危害呢?在这点上,人们恐怕要好好和自己的“敌人”——病原菌们进行学习。为了打进人体,获得宝贵的营养和繁殖环境,病原微生物在漫长的年月中演化出了无数精妙的“战术”来摧毁人类的免疫防线。即便是看上去多么英勇刚烈无人能挡的中性粒细胞,在一些病原菌眼中,都只不过是大军前进的车轮前一支小小的螳臂。

病原菌的破网之计

细菌的策略也很简单,无非3种:摧毁,伪装和早期抑制。

伪装是细菌侵入宿主的过程中最常用的手段。它简单经济高效实用,还能给自己带来一种“萌萌哒”的神秘感——只有暴徒才会动辄舞刀弄枪,作为一个优雅的病原菌,如春雨入夜一样无痕潜入才符合自己的身份。肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)是此类病原菌的典型。正如大名鼎鼎的格里菲斯实验中所描绘的一样,肺炎链球菌穿着由厚厚的多糖荚膜构成的“隐身衣”,绕开中性粒细胞的监视。即使遇到了已经形成的NETs,这层多糖仍有助于降低NETs对细菌的亲和力——被荚膜掩护的细菌就好像在篮球场上满身大汗的赤膊男一样,每当你试图抓到他,却总是会被滑溜溜的表面一把甩开。

肺炎链球菌的荚膜可能降低细菌被“天网”捕捉的风险。图片来源:ppdictionary.com

当然了,在伪装进行的不顺利时,病原菌也是会诉诸暴力的。最常用的武器是上面提到过的DNA水解酶(DNAse)。体外实验证实,这些酶类能够直接作用于NETs并将之摧毁。化脓链球菌(Streptococcus pyogenes)能够分泌水解酶Sda1对NETs发起攻击,与此同时又通过另一可以使Sda1失去活性的蛋白——SpeB来调节前者的活性。研究人员发现,具有更高毒性的化脓链球菌SpeB基因发生了突变,表达量大大减少。这样的化脓链球菌具有更强的DNA水解酶活性,在与NETs的战斗中,它们显得更加勇不可当。

有趣的是,DNAse的存在并未能使双方的角力演变成一场单方面的屠杀。这些看起来无坚不摧的水解酶,有一个重大的弱点:它们的活性需要阳离子的参与。冲着这一点,NETs中的钙离子和锌离子螯合蛋白就派上用场了——在感染出现的区域,这些蛋白的浓度急剧升高,有效降低了DNAse获得金属离子发挥活性的概率,进而导致本该致命的水解酶不再致命。战斗至此,病原菌和宿主的战争,也从攻坚战变成了资源战。

对于病原菌来说,进攻的“奥义”在于从自己开始图谋不轨的时候,就坚决不让NETs形成。尽管目前来说并没有直接的证据证实细菌确实能采用这样的早期抑制手段,但有一些现成的事实可能会支持这个行为,其中包括:

  1. 体外实验证明过氧化物酶能够抑制NETs的形成;
  2. 几乎不存在具有毒性且过氧化物酶被突变丧失酶活的金黄色葡萄球菌;
  3. 将野生型金黄色葡萄球菌中过氧化物酶突变后,其对小鼠的感染能力降低;

虽然如此,也有学者认为,并不能据此推断金黄色葡萄球菌中的过氧化物酶是为了针对NETs的主动防御而存在的。在病原菌与宿主的相互作用中,活性氧常常被细胞用来作为防御手段。因此,他们认为过氧化物酶的主要功能是应对时不时爆发一下的活性氧,顺带也解决了挡在入侵门口的“血肉天网”NETs。这似乎是更合乎逻辑的判断。毕竟,尽管中性粒细胞防线的陷落对于人们来说是一件“不要不要不要”的事情,但对于决心直插战略腹地的病原菌来说,这只不过是大战前的小小热身而已。(编辑:Calo)

参考文献:

  1. Brinkmann, Volker, et al. Neutrophil extracellular traps kill bacteria. science 303.5663 (2004): 1532-1535.
  2. Venizelos Papayannopoulos ,Arturo Zychlinsky, NETs: a new strategy for using old weapons,Trends in Immunology,2009. Nov;30(11):513-21. doi: 10.1016/j.it.2009.07.01
  3. Vorobjeva NV1, Pinegin BV,Neutrophil extracellular traps: mechanisms of formation and role in health and disease. Biochemistry (Mosc). 2014 Dec;79(12):1286-96. doi: 10.1134/S0006297914120025.
  4. Tyler W.R. Halverson, Mike ilton, Karen K. H. Poon, Bjrn Petri, Shawn Lewenza ,DNA Is an Antimicrobial Component of Neutrophil Extracellular Traps,Plos Pathogen,2015, DOI: 10.1371/journal.ppat.1004593
  5. Volker Brinkmann, Arturo Zychlinsky,Beneficial suicide: why neutrophils die to make NETs, Nature Reviews Microbiology 2007, 5, 577-582.

文章题图:currentsinbiology.tumblr.com

(责任编辑:泉水)
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