胞内细菌如何劫持你的细胞

编译 无机客

作为一名细胞生物学专业的研究生，沙莉•穆克吉（Shaeri Mukherjee）总是在寻找改动细胞内部结构的新方法。那时是21世纪初，穆克吉在阿尔伯特•爱因斯坦医学院的丹尼斯•希尔兹实验室研究细胞如何组织蛋白质和其他“货物”的内部运输。她对于高尔基体格外感兴趣，花费许多时间操纵这种胞器的活动，试图更好地弄懂它的运作方式。高尔基体是一群帮助协调运输的膜结合细胞区室。遗传学方法能在数日内减缓或改变胞器的结构；某些药物因子让胞器在不到半小时内分解。但在2008年，穆克吉偶然地发现一种快捷得多的、引起细胞内混乱的新方法。

这项技术来自耶鲁大学医学院的克雷格•罗伊（Craig Roy）的一篇论文。罗伊的团队发现，“这种叫作AnkX的蛋白质在显微注射进细胞中（甚至是在皮摩尔水平上）后，能引起整个高尔基体在大约五分钟内变成碎片。”穆克吉说。惹人注目的是，AnkX并不是哪位细胞生物学家或哪家制药公司的手笔。它其实是由一种极小的、被称为嗜肺军团菌的胞内细菌制造出来的，嗜肺军团菌这种病原体是一种叫作“军团病”的严重肺部感染的幕后元凶。对于穆克吉来说，这篇论文是个启示：它不仅确定迄今为止瞄准高尔基体机理的最快方法，还提出科学家可以利用胞内细菌“作为镜头，弄懂细胞内的基本进程”。

穆克吉被这个强大的小小微生物激起兴趣，应征罗伊实验室的一个博士后岗位，在那儿详细研究军团菌如何从内部攻击人类细胞。她获知，研究者已经识别出超过300种军团菌肽，那些肽模仿宿主蛋白质，或者劫持既有的细胞通路，让军团菌有机可乘。她还新识别出其他许多类胞内细菌。这个多种多样的群体中包括在医学上重要的病原体，譬如沙门氏菌、李斯特菌和衣原体，以及结核病和麻风病的致病物。

这些微生物都至少享受了一部分生命时光，抵挡住白细胞、抗体和其他免疫防御（以上是身体对付那些活在宿主细胞之外的病原体的手段）的猛攻。作为交换，这些微生物得要想出一些法子来绕过细胞的内部免疫系统，在错综复杂、熙熙攘攘的细胞质环境中游弋，最终逃离那个环境，再感染其他细胞，并在过程中变成微小的操纵大师。

如今在加州大学旧金山分校领导着一家实验室的穆克吉说，关于胞内细菌如何控制宿主的研究不仅告诉科学家这些微生物是如何引起疾病的，也揭示哺乳动物生物学的秘密。她说，这些细菌具有定位细胞关键功能的窍门，还满怀怜爱地补充，军团菌在继续帮助她探究真核细胞的运作方式：“它是一名出色的细胞生物学家。”

细菌劫持肌动蛋白细胞骨架，造出尾巴，继续搭车

20世纪80年代后期，细菌学家丹尼尔•波特努瓦（Daniel Portnoy）拜访宾夕法尼亚大学的肌动蛋白专家刘易斯•蒂尔尼（Lewis Tilney），讨论一个新的研究构思。蒂尔尼后来向《细胞生物学杂志》转述这段经历时说：“波特努瓦闯进一场系里的野餐会，坚持让我看一下他的李斯特菌。”

胞内细菌对宿主的依赖程度差别不小。所谓的兼性胞内细菌（譬如单核细胞增生性李斯特菌和嗜肺军团菌）不需要在宿主细胞内部就能繁殖。相比之下，专性胞内细菌，譬如沙眼衣原体和麻风杆菌需要在宿主细胞内部才能繁殖，这个特征使得在实验室里培养和研究这些细菌成为不小的挑战。专性胞内病原体比起兼性胞内病原体常常会有着缩减的基因组，这个遗传趋势反映出它们更受限的生活形态

那时候，研究人员知道李斯特菌感染巨噬细胞之类细胞的方式是让自己先被摄取进吞噬泡，再从吞噬泡中突围，进入细胞质。（巨噬细胞是一种能动的人类免疫细胞，会吞噬病原体和细胞残片。）研究人员也已经描述过李斯特菌迅速扩散到毗邻细胞。但是，1988年加入宾夕法尼亚大学医学院的波特努瓦发现，他能够以化学方式抑制肌动蛋白的聚合，借此阻断这种细胞之间的扩散。肌动蛋白是一种细胞用来建造胞内骨架，帮助细胞运动、分裂和其他重要进程的蛋白质。蒂尔尼对此深深入迷，接下这个课题，两人的研究显示出，李斯特菌从吞噬泡中突围后，以某种方式设法用肌动蛋白微丝，建构出自身的尾状结构。

结果产生的李斯特菌“彗星”——这是这对研究搭档对它的叫法——利用新获得的肌动蛋白能动性，飕飕地绕过细胞质，最终让自己扑向细胞膜，产生一个延伸进入毗邻巨噬细胞内的突出。这个突出被接收方细胞吞没，形成一个吞噬泡，李斯特菌接下来只需强行逃出新的区室来完成传染。波特努瓦和蒂尔尼在1989年的一篇论文中形容了整个过程，评论说他们的发现“应该对于那些关注寄生物造成感染的细胞机理各阶段的人士很重要……对于想要知道细胞内的肌动蛋白微丝如何变得井然有序的细胞生物学家来说，很激动人心”。

从那时开始，许多其他科学家加入了李斯特菌肌动蛋白征用的研究。20世纪90年代时，微生物学家帕斯卡莱 •科萨尔（Pascale Cossart）在巴斯德研究院研究李斯特菌的毒性，很快就识别出一种叫ActA的细菌蛋白质，李斯特菌需要有这种蛋白质才能造出尾巴。接下来，当时在加州大学旧金山分校工作的细胞生物学家马修•韦尔奇（Matthew Welch）与同事们分离出一种宿主细胞蛋白质复合体Arp2/3，李斯特菌要变得能动，Arp2/3也是必不可少的。团队发现，李斯特菌的ActA招募Arp2/3复合体到细菌细胞表面，以此启动肌动蛋白的聚合——证实了李斯特菌征用细胞自身装置和原材料用于自身。这个研究工作暗示，真核生物可能拥有自身的Arp2/3激活蛋白质，而且果不其然，研究者从那时起描述了一整个家族的宿主肌动蛋白成核促进因子，李斯特菌的ActA正是成功地模仿这些因子。

不少其他胞内细菌类群——包括志贺氏菌属、立克次体属、分枝杆菌属、伯克氏菌属——都已经被观察到构造自身的肌动蛋白“尾巴”，常常是通过劫持Arp2/3的方式。许多细菌采取类似李斯特菌的方法来感染新宿主（挤入毗邻细胞中，被摄取进吞噬泡），但那并非唯一的方法。如今在加州大学伯克利分校任教的韦尔奇与研究生诺拉•科斯托（Nora Kostow）最近利用活细胞影像和其他技术研究了泰国伯克氏菌，这种细菌通过引起毗邻细胞的融合而扩散。

韦尔奇说，“这种细菌本质上是扩大能让它们成长的可获取的环境，它们能不断重复融合步骤，所以你在某些案例中能遇到数百个细胞融合在一起。”他和科斯托指出，由肌动蛋白赋能的泰国伯克氏菌实现这样的扩散，靠的是推动细胞膜来生成突出——而不是在毗邻细胞中生成吞噬泡——使得两个细胞变成一个细胞。这个合并过程似乎依赖于细菌在形成突出时分泌的特定蛋白质。作者们在论文中写道，这点洞察能帮助细胞生物学家理解更广泛意义上的细胞融合。

对于这些细菌与肌动蛋白的交互作用差别的研究依然产生新的未解之谜。韦尔奇和博士后诺伯特•希尔（Norbert Hill）在研究海洋分枝杆菌（结核分枝杆菌的一个近亲）时，于最近发现，微生物的蛋白质不仅能赋予肌动蛋白在细菌上的能动性，还有在另一类胞内目标脂滴上的能动性。目前还不清楚，这种脂滴的运动与分枝杆菌的存在如何发生关联，但一种诱人的推测是，这种情况可能发生在感染时，要么是有利于细菌，要么是细胞对于感染的某种反应，韦尔奇说。好几个方向的研究提出，分枝杆菌可能利用脂滴作为一种化学能量来源和其他作用，所以让那些脂滴飕飕地运动，或许符合细菌的利益。

微生物为各种目的控制胞内膜

细胞质并非谁都能自由来去的。尽管李斯特菌之类的细菌能获取肌动蛋白之类的“建筑材料”，它们也得要躲避细胞的免疫防御，从一个它们几乎没有控制权的化学环境中挺过来。有些细菌为了避开这些不便，转而占据胞器之类的区室，将它们与细胞其余部分隔离。这些微生物能够并且仍然与肌动蛋白互动——譬如，某些微生物分泌出蛋白质，引起细胞骨架的重排，帮助从外部占据细菌，或者形成类似公路的突出，伸进其他细胞。但是，许多微生物征服一类全然不同的目标，使得它们不用冒险进入细胞质，就能控制细胞其余部分——这里指的目标就是脂质膜。

李斯特菌利用宿主来造出自己的肌动蛋白“尾巴”

一些胞内细菌利用宿主细胞的肌动蛋白供给来建造自身的运动系统。食源性致病菌单核细胞增生性李斯特菌感染被称为巨噬细胞的免疫细胞，方式是先被摄取进一个吞噬泡①。然后进入细胞质，在那儿生存和复制②。它在细胞质中使用一种ActA蛋白质招募宿主细胞的肌动蛋白聚合装置来在它身后造出一条肌动蛋白微丝尾巴③。这一步给予细菌一种推进自身运动的方式，让它能推动宿主细胞膜，形成伸进毗邻细胞的突出④。那些毗邻细胞把这些突出当作吞噬泡摄取，李斯特菌从吞噬泡中逃脱，进入细胞质，重新开始这个周期⑤

穆克吉在耶鲁大学做博士后时，让她全神贯注的就是军团菌占据、甚至模拟胞内膜的能力。事实证明，引起高尔基体分解的微生物蛋白质AnkX是一个更大的阴谋的一部分，该阴谋是强迫宿主准备一个对细菌友好的区室。军团菌使用包括AnkX在内的肽，瞄准被称为Rab GTPase的宿主酶。Rab GTPase位于内质网和高尔基体之类胞器的表面，调节蛋白质货物在细胞内的运输。

穆克吉和罗伊等人具体地表明，通过对细胞的一个Rab蛋白质进行一种不常见的“磷酸胆碱化”修饰，军团菌能够引起宿主运输通道的大规模迅速坍塌。此外，军团菌通过另一个机制，招募同一种Rab蛋白质到它所在胞内区室的表面，将它的藏匿之所改装为酷似内质网的东西。包括罗伊的实验室在内的多家实验室已经展现了这套膜转化如何成为相关生化进程的一部分。在其他微生物中，也已经描述过类似的膜复制或膜劫持进程。比如，性传播的病原体沙眼衣原体就密谋改组它所在胞内区室周围的高尔基体膜，同时变更胞器泡的路线，让它们奔向自己，以此作为脂质来源。

其他胞内细菌已经找到不同办法来干预细胞膜。单细胞寄生物弓形虫——美国疾病控制与预防中心估计，目前单单在美国就有超过4 000万人感染了弓形虫——幸存在一个胞内泡中，再从那儿部署蛋白质，破坏宿主细胞的功能。“研究人员在数十年前观察到，弓形虫所在的泡，像多种细菌区室一样，常常变得被线粒体包围——这个现象现在被认为与细胞抗病原体反应有关。”由寄生物学家转行为细胞生物学家的莱娜•佩尔纳斯（Lena Pernas）说道，她工作于德国科隆的马克斯•普朗克衰老生物学研究所。

佩尔纳斯的团队最近发现，弓形虫能够通过释放一种蛋白质，使得线粒体蜕下它们两层膜中的外层膜，破坏和利用这种线粒体围攻。“我们不确定那具体是怎么发生的……这是实验室进行中的研究主题。”佩尔纳斯说。但她的团队的实验确实暗示了，蜕膜行为是线粒体对于外层膜压力的自然反应，甚至可能在未被感染的细胞中发生，而弓形虫劫持了这个进程——或许是通过模拟一个通常会触发反应的宿主蛋白质。其他病原体有没有利用这条路径或相关路径？这依然有待研究，然而一些研究人员已经注意到，至少有一个佩尔纳斯的研究中提到的线粒体蛋白质似乎也是严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型（SARS-CoV-2）之类病毒瞄准的目标。

穆克吉说，发现新类型的膜操纵方法不会让人惊讶，这个行为提供一种多用途的方法，能对从细胞分裂到胞器的胞内位置的一切、甚至是病原体本身施加影响力。“那就是为何许多细菌瞄准细胞内的各种膜的原因。”

细菌重编程宿主细胞，让它们听命行事

军团菌控制宿主的膜

一些胞内细菌（譬如嗜肺军团菌）栖息在宿主细胞内的膜结合区室内①。一旦进入区室，微生物通常会与宿主膜互动，分泌出所谓的效应蛋白，效应蛋白帮助微生物控制宿主膜②。军团菌特别地与高尔基体和内质膜互动，盗取一些胞器的蛋白质，变更胞器泡的运输路线。之后，新形成的膜变得散布核糖体③。核糖体也许有助于细菌制造某些宿主蛋白质——或者可能仅仅是膜的类似内质膜身份的副产物。军团菌先在这个区室内复制，然后突围离开细胞④

胞内细菌和其他寄生物携带自身的制造蛋白质装置，所以在某些时候，它们关闭或暂停宿主的大部分蛋白质制造活动，也许是合乎情理的。“宿主极可能会制造出对细菌有害的蛋白质。”穆克吉解释说，她最近的实验显示，军团菌通过瞄准宿主的一个参与蛋白质折叠的肽，能够阻止蛋白质合成。另一方面，胞内细菌不想在它准备继续前进之前消灭宿主，也不想错失一个让宿主执行那些对细菌有利的高耗能任务的机会。

面对这些权衡时，一些细菌开始一番精心设计安排的努力，在感染的不同时刻操纵细胞能做什么，不能做什么。譬如说，穆克吉和同事最近识别出一种军团菌分泌的模拟转运核糖核酸（tRNA）的毒素，能拖延宿主核糖体沿着核糖核酸（RNA）的移动，进而引起碰撞。“假如你拖慢领头的核糖体，它后面的核糖体继续前进，撞到它……就像高速公路上的连环车祸。”研究人员发现，这引起细胞内的一连串事件，包括基因表达的大规模变更，允许仅仅少量关键转录本绕过交通堵塞，被翻译为蛋白质。这个反应导致被控制的细胞死亡，而这对于军团菌而言是好消息：宿主门户大开，释放出细菌，细菌能继续去感染其他细胞。穆克吉说，这又是一个微生物教授生物学家细胞运作方式的案例，她在bioRxiv上发表的预印本文章中描述了这一研究，多亏了军团菌瞄准那条路径的能力，她的团队才能发现对于核糖体碰撞的遗传反应。

一些胞内细菌似乎采取了一种不同的方法：它们没有怂恿细胞自我毁灭，而是引起宿主细胞类型的改变。爱丁堡大学的阿努拉•兰布卡纳（Anura Rambukkana）通过麻风杆菌研究了重编程。麻风杆菌感染施万细胞——一种包围神经元的神经胶质细胞，帮助生长和修复周围神经。感染通常引发广泛的神经损伤，并最终导致遭受感染的肢体感受不到疼痛或触摸。但在2013年，兰布卡纳与同事报告了一系列体外实验和小鼠实验的结果，提出麻风杆菌首先劫持宿主的基因表达，似乎是对施万细胞进行了重编程，让它回到类似干细胞的状态。

麻风杆菌使它的宿主还原到类似干细胞的状态

麻风杆菌将细胞重编程发挥到极致，让作为宿主的施万细胞还原到类似干细胞的状态①。这些细胞随后能重新分化为肌肉细胞，可能将麻风杆菌扩散到其他组织②。重编程后的细胞也可以将感染传给巨噬细胞，巨噬细胞然后形成被称为肉芽肿的结构，再继续亲自传播感染③

这种在基因表达上所做的手脚似乎在至少两方面帮助了麻风杆菌的扩散。首先，被变更的细胞能继续分化为其他细胞类型，其中包括肌肉细胞，于是就有可能将麻风杆菌播种到其他组织中。其次，重编程之后的细胞引来巨噬细胞，巨噬细胞能摄取感染，将它散播到其他组织。兰布卡纳的团队目前在努力进一步弄懂这种细胞重建（rewiring）的底层机制，探索这个现象的潜在治疗应用。譬如说，研究细菌用来重编程细胞状态的因子可能为再生医学提供新技术。团队目前在九带犰狳上检验一些原理，九带犰狳对于人类生物学而言不是理想模型，但它是除了人类以外，麻风杆菌的几个天然宿主之一。

科萨尔眼下是欧洲分子生物学实验室位于德国海德堡的总部的一名访问科学家，她称施万细胞重编程上的研究工作是个“非常有趣”的研究方向，指出这几种发现凸显出胞内病原体在企图破坏细胞方面是如何各显神通的。她指出：“不同类型的病原体有不同类型的结果，除了研究物种差别，研究者如果想要弄清感染的生物学后果，应该钻研细菌的不同品系之间在不同条件下的差异。”譬如说，直到相对近期，科学家才开始考虑胞内细菌与它们感染的有机体的微生物体之间直接或间接的相互作用，科萨尔说这个研究领域值得获取更多关注。

然而，在许多情况下，使用胞内细菌做研究的更广泛影响也许很难预先估测，穆克吉说。她注意到CRISPR之类的工具产生自基础研究，是基于一个细菌用来保卫自身免受病毒感染的系统。她说：“我们是基础科学家，我们想要研究基本的进程。这项工作能在未来产生影响。”

资料来源 The Scientist