軍團桿菌感染宿主細胞的具體過程以及分子機制

　　軍團桿菌（Legionella）導致以肺炎為主的感染，又被稱為軍團病。軍團桿菌會對公眾健康產生不利影響，根據美國疾病控制與預防中心估計，美國每年有8,000至18,000人因軍團病住院。之所以稱為軍團病，是因為該疾病最早是1976年在美國費城召開退伍軍人大會時暴發流行。軍團桿菌通常出現在水生環境中，因此不潔凈的飲用水可能會導致軍團病的風險。大多數健康的人接觸軍團桿菌后并不引發感染，患病風險較高的人群是50歲以上、具有吸煙史、患有慢性肺部疾病、患有癌癥等免疫系統較弱的人。軍團桿菌將多種效應物轉移到宿主細胞中，從而改變宿主細胞膜的運輸，從而有利于細胞內病原體的宿生。

　　圖1 軍團桿菌（圖源：Bing）

　　為了對該過程進行研究，美國德克薩斯西南醫學中心Vincent S. Tagliabracci研究組在Science發文題為Dynamic remodeling of host membranes by self-organizing bacterial effectors，揭開了軍團桿菌感染宿主細胞的具體過程以及分子機制。

　　細胞內的細菌病原體采用多種策略在宿主細胞內生存和增殖，其中包括對宿主細胞內膜系統的操縱。軍團桿菌入侵宿主細胞的兩個特征是通過磷脂酰肌醇轉化對細胞膜轉運進行重塑隨后劫持宿主細胞的內質網膜，從而建立體包含軍團桿菌的小泡（Legionella containing vacuole，LCV）。軍團桿菌通過4型分泌系統（Type 4 secretion system，T4SS）將300多個效應蛋白轉位到宿主細胞從而操縱宿主細胞，其中一些軍團效應蛋白是磷酸肌醇激酶或磷酸酶。但是這些軍團桿菌磷酸肌醇激酶和磷酸酶都沒有已知的靶向內質網膜的序列和信號。

　　通過對軍團桿菌4型分泌系統效應因子的分析，作者們鑒定發現蛋白激酶超家族的成員MavQ。為了對MavQ的分子功能進行分析，作者們進行MavQ（1-580）進行了晶體結構的解析，該區域包含了MavQ的非典型激酶結構域。激酶結構域中包含的催化口袋可以在ADP/Mg2+結合在活性位點后獲得活性構象（圖1）。通過系統生物學分析，作者們發現MavQ可能是磷酸肌醇激酶。通過體外的生化實驗，作者們確認MavQ是能夠對PI以及PI5P進行磷酸化的PI3K。

　　圖2 MavQ（1-580）晶體構象解析

　　在對MavQ的身份進行分析后，作者們進一步對其在軍團桿菌的感染過程中作用進行分析。通過熒光觀察以及免疫膠體金電鏡作者們發現，GFP標記的MavQ會定位在內質網膜上面形成非典型的囊-管結構（Vesicular-tubular structures），而且MavQ形成的這種囊-管結構與早期內體小泡蛋白標記物RAB5B存在顯著的共定位，另外催化失活型MavQ主要表達在細胞質里而不會形成這種囊-管結構，說明這種特殊的囊-管結構的形成依賴于MavQ的激酶活性（圖 3）。

　　圖3 MavQ的囊-管結構

　　進一步地，作者們想知道MavQ如何能夠靶向內質網并且驅動這種MavQ存在的囊-管結構的形成。通過序列分析和預測，作者們發現MavQ中包含一個非典型的內質網靶向FFAT基序。FFAT基序的突變會顯著地降低MavQ的內質網靶向。作者們發現MavQ的囊-管結構可以與內質網進行融合。另外，作者們發現MavQ的C末端可以識別MavQ形成的囊-管結構并且其催化反應產物也可以促進與膜的連接。

　　生物系統的震蕩過程中負反饋調節是必須的。MavQ作為PI3激酶，那么該系統中可能會在一個PI3的磷酸酶作為負反饋的調節因子對MavQ時空功能進行調控。在其中，作者們發現了PI3的磷酸酶SidP。SidP與MavQ之間存在功能上的聯系。熒光標記的SidP與MavQ以及內質網共同定位，PI3磷酸酶與激酶活性形成的組成型負反饋與正反饋調節環路驅動MavQ蛋白動態變化以及MavQ誘導的膜動力學變化。進一步地，作者們發現在軍團桿菌感染細胞宿主細胞的過程中，MavQ表現出的時空動態調控作用非常關鍵。為了進一步確認SidP與MavQ的生物學功能，作者們發現mavQ的催化失活型或者是sidP的刪除型軍團桿菌突變體對于宿主細胞的感染能力就會明顯下降。因此，SidP與MavQ對于軍團桿菌對真核宿主細胞的毒性是非常關鍵的。

　　圖4 工作模型

　　總的來說，上述研究發現了一個非典型的軍團桿菌PI3K MavQ會改變內質網中的磷酸肌醇，從而能夠對內質網膜進行重塑（圖4）。因此，細菌可以利用一種自組織的膜靶向機制來劫持宿主的細胞結構以促進生存，而這可能正是解決這一細菌感染的新思路。