研究揭示結核分枝桿菌抑制細胞焦亡的重要機制

結核病（tuberculosis，TB）是由結核分枝桿菌（M. tuberculosis，Mtb）感染引起的一類重大慢性傳染病。據世界衛生組織報道，2020年全球有近990萬新發TB患者，并有約151萬人因TB感染導致死亡。中國科學院微生物研究所劉翠華團隊長期致力于Mtb與宿主互作機制方面的研究，近年來在Nature Immunology（2015）、Nature Communications（2019，2017）、Autophagy（2021）、EMBO Report（2021）、Cellular & Molecular Immunology（2018，2019）等期刊發表系列研究工作，揭示了一系列病原菌與宿主相互博弈的動態過程及分子機制，為TB防治提供了多種新思路和潛在新靶點。近日，劉翠華團隊與北京師范大學邱小波團隊合作，揭示了Mtb利用脂磷酸酶PtpB挾持宿主泛素進而拮抗GSDMD介導的細胞焦亡的病原免疫逃逸新機制，提供了基于病原-宿主互作界面的TB治療新思路和潛在新靶標。

炎癥小體（inflammasome）是近年來在哺乳動物免疫細胞中發現的一種多聚蛋白復合物，主要由胞質中的模式識別受體（如NLRP3和AIM2等）、凋亡相關斑點樣蛋白（ASC）及caspase-1前體蛋白（pro-caspase-1）組成。當受到活化信號刺激時，炎癥小體能夠迅速組裝并使pro-caspase-1發生自剪切產生具有酶活性的caspase-1，后者進一步剪切下游的關鍵效應分子gasdermin D（GSDMD）及炎性細胞因子前體pro-IL-1β和pro-IL-18，剪切后的GSDMD的N-末端效應結構域（GSDMD-N）隨后在質膜內側聚集并產生孔洞，進而介導成熟的炎性細胞因子（IL-1β和IL-18）的釋放及細胞焦亡（pyroptosis）的發生。已有研究提示，炎癥小體—細胞焦亡通路在宿主抵抗Mtb等病原體感染過程中發揮重要作用。然而，這些病原體是否能夠以及如何逃逸該免疫機制尚不清楚。因此，進一步鑒定Mtb等病原體調控宿主炎癥小體—細胞焦亡通路的關鍵效應蛋白并闡明其作用機理有望為TB等感染性疾病提供新的藥物靶標及干預策略。

在本項研究中，研究人員通過在HEK293T細胞中構建AIM2和NLRP3炎癥小體的重組系統對Mtb編碼的真核樣分泌蛋白進行全面篩選，鑒定出Mtb分泌的蛋白磷酸酶PtpB是宿主炎癥小體—細胞焦亡通路的潛在抑制分子。進一步的研究表明，PtpB在Mtb感染時可定位至宿主細胞質膜并依賴其磷酸酶活性去磷酸化質膜上的磷脂酰肌醇-4-單磷酸（PI4P）及磷脂酰肌醇-(4,5)-二磷酸（PI(4,5)P2），從而抑制GSDMD-N在質膜上的聚集并阻止細胞焦亡及細胞因子IL-1β和IL-18的釋放。PtpB雖然在細胞內具有顯著的去磷酸化PI4P及PI(4,5)P2的功能，但其在細胞外僅表現出有限的脂磷酸酶活性。結構生物學分析表明PtpB的酶活中心（P-loop）被掩蓋在一個蓋狀的柔性雙螺旋結構（lid）內，提示其磷酸酶活性可能受到動態調控。在之前的研究工作中，劉翠華團隊發現Mtb編碼的另一種蛋白磷酸酶PtpA可通過結合宿主泛素調控自身的磷酸酶活性進而發揮免疫抑制功能（Nature Immunology，2015）。在此基礎上，研究人員推斷PtpB的磷酸酶活性可能也受到宿主細胞中特定分子的調控。進一步的深入探尋證實了PtpB依賴一個特殊的真核樣泛素結合模序（UIM-like）通過疏水相互作用結合宿主泛素并被其激活進而去磷酸化PI4P和PI(4,5)P2，導致這兩種分子在宿主細胞質膜上的豐度顯著減少進而抑制GSDMD-N在質膜上的聚集及細胞焦亡的發生。隨后的小鼠感染實驗證明，破壞PtpB的脂磷酸酶活性或泛素結合區域可以顯著增強宿主在感染早期依賴GSDMD的保護性免疫反應及清除Mtb的能力，并減輕宿主在感染晚期的病理性免疫損傷。

相關研究結果已在線發表于國際權威期刊Science，題為“A bacterial phospholipid phosphatase inhibits host pyroptosis by hijacking ubiquitin”。劉翠華課題組的特別研究助理柴琪瑤、客座研究生余珊珊以及博士研究生鐘延昭為該論文的并列第一作者，中國科學院微生物研究所的劉翠華研究員、汪靜項目研究員和北京師范大學的邱小波教授為共同通訊作者。這項工作得到了國家自然科學基金委、國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）、中國科學院青年創新促進會及中國博士后科學基金會的支持。

圖1. 結核分枝桿菌劫持泛素調控宿主的膜脂穩態進而抑制細胞焦亡