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病毒、细菌感染与细胞凋亡之间的相互作用

作者:原创论文网 时间:2018-11-26 21:11 加入收藏
  摘要:细胞凋亡是免疫防御系统的一个重要组成部分, 是机体被感染细胞的主要死亡方式之一。病原微生物常产生一些毒素或毒性因子来调节宿主细胞的程序性死亡过程, 从而使自身得以更好繁衍。本文介绍了细胞凋亡的概念及特点, 并综述了病毒和细菌感染与细胞凋亡之间相互作用研究的进展。
  
  关键词:细胞凋亡; 病原微生物; 病毒; 细胞死亡;

微生物

  1、微生物感染与细胞凋亡的一般关系
  
  细胞凋亡是机体的一种重要生理机制, 是自然发生的细胞死亡过程。细胞凋亡受基因调控, 在生物个体生长发育过程中发挥着特殊作用, 贯穿机体整个生命活动过程, 能够实现细胞毒性、抗病毒、免疫调节及转录调节等多种生物活性功能[1].
  
  机体免疫系统会采用多种方式对微生物感染做出反应, 主要包括激活炎症、招募免疫细胞到感染部位、在黏膜表面产生抗菌肽以及激活补体系统等。但是, 倘若以上这些免疫反应未能成功抵御病原微生物, 细胞死亡信号通路就会被激活以消除被感染的细胞:破坏病原微生物生长繁殖的胞内环境, 使细胞内的病原体暴露于机体的免疫环境中[2]并被巨噬细胞和树突状细胞吞噬;这两种吞噬细胞接着会传递相关抗原给T细胞, 促进特异性免疫系统的活化。
  
  另一方面, 在长期的适应过程中, 病原微生物也发展形成了多重策略来影响宿主细胞的死亡过程, 从而有利于自身更好地生存繁衍[3]: (1) 直接或间接地抑制机体细胞的凋亡过程, 从而逃避机体免疫细胞的杀伤清除作用 (这会导致感染的扩散及加重) ; (2) 诱导和增强机体细胞的凋亡, 使细胞功能丧失 (这会导致一系列病理改变, 出现临床病症) .
  
  细胞凋亡不仅是免疫系统稳态的基础, 同时是决定相关临床进展及疾病严重程度的主要因素。被感染的宿主细胞的凋亡清除可以抑制微生物的复制和传播, 甚至抑制炎症损伤。例如, 诱导树突状细胞的内在凋亡通路可限制兼性细胞内病原体的复制, 细胞凋亡有缺陷或诱导延迟会促进疾病的发生、发展并引起显着的组织损伤[4];在小鼠巨噬细胞内源途径中, 诱导抗凋亡的B淋巴细胞瘤-2基因 (Bcl-2) 家族成员髓样白血病-1基因 (Mcl-1) 过表达可阻止Mcl-1转基因小鼠有效清除肺炎球菌[5];宿主细胞的凋亡诱导也是感染得到控制后终止免疫应答的首选机制, 因为细胞以凋亡的方式死亡可以更好地控制组织损伤 (炎症反应不可避免的后果) .
  
  但是, 凋亡的诱导并非总是能够在微生物感染中保护宿主细胞, 因为病毒和细菌可以利用宿主的凋亡机制来消除免疫应答所需的细胞。许多病原体 (如金黄色葡萄球菌等) , 能够产生直接激活宿主细胞凋亡机制的毒性因子。在这些情况下, 疾病发病机制被扩大并且组织损伤显着加剧。
  
  2、病毒感染与细胞凋亡
  
  病毒感染与细胞凋亡之间存在着密切的关系。首先, 免疫系统介导的靶细胞凋亡可以清除病毒, 避免疾病的发生, 从而维护机体正常功能;而病毒可通过诱导或抑制来调节相关细胞凋亡, 进而可以使其在机体内更好地生存繁殖, 从而造成持续性感染和肿瘤等疾病的发生。简而言之, 两者相互作用过程包含复杂的调控信号转导和促进/阻遏效应[6].
  
  2.1 病毒感染诱导细胞凋亡
  
  病毒感染诱导靶细胞凋亡主要通过两种方式: (1) 通过自身蛋白直接诱导靶细胞凋亡; (2) 病毒编码的产物诱导凋亡基因表达、激活caspase途径、上调Fas L/Fas和TNF-α/TNFR-1的表达, 间接诱导靶细胞凋亡[3].病毒通过这两种方式保证其在机体细胞内大量繁殖。
  
  病毒直接诱导凋亡主要通过其表面的一种或多种蛋白质促进靶细胞凋亡。例如, 乙型肝炎病毒 (HBV) 的X基因 (HBx) 所表达的HBx蛋白能够触发HBV感染的肝细胞凋亡。人类免疫缺陷病毒 (HIV) 的包膜蛋白gpl20与CD4+T细胞表面的CD4分子结合, 通过传递异常信号诱导CD4+T细胞凋亡, 导致CD4+T细胞减少而CD8+T增多, 引起以CD4分子细胞缺损和功能障碍为中心的严重免疫缺陷[7].
  
  病毒有多种方式间接诱导凋亡, 包括通过病毒编码的产物影响细胞凋亡:很多病毒可通过模拟某些细胞因子、细胞因子的受体或者细胞内信号传导的构成元件, 来编码自身蛋白, 启动细胞死亡的上游信号或细胞的相关基因表达, 从而破坏细胞的正常生理代谢功能, 导致细胞凋亡[8].实验表明, HBV的相关编码产物能诱导肿瘤抑制基因 (P53) 的表达, 引起肝细胞凋亡。P53的产物主要存在于细胞核内, 积累时可促进细胞凋亡, 而当其缺乏时则会引起肿瘤细胞的无限繁殖。研究发现, 如果用牛单纯疱疹病毒Ⅰ型感染外周血单核细胞, 被感染的细胞内P53的表达产物的数量和活性明显增高[7].
  
  病毒激活caspase途径的作用机理如下:caspase是一类天冬氨酸依赖性的半氨酸蛋白酶, 能特异性地水解细胞中的一系列底物导致细胞解体, 在凋亡过程中起着核心作用, 是凋亡的介导者与执行者;凋亡信号首先活化上游的caspase启动因子, 包括caspase-2、caspase-6以及caspase-7等, 最终引起核酸断裂导致细胞凋亡[3].据研究, 风疹病毒 (Rubella virus, RV) 诱导凋亡的程度与caspase-3的活性相关, RV诱导的细胞凋亡过程需要caspase依赖型通路[9].
  
  除此之外, 病毒可通过促进死亡受体信号转导来促进凋亡, 包括Fas L/Fas途径和TNF/TNFR途径, 两者均可以引起细胞凋亡的死亡信号转导途径。因此病毒通过相关表达产物影响细胞内的信号通路, 上调Fas L/Fas和TNF-α/TNFR-1的表达可以间接诱导靶细胞凋亡。
  
  2.2 病毒感染抑制细胞凋亡
  
  病毒可以通过编码caspase的抑制蛋白来抑制Fas L和TNF-α的活性, 从而进一步抑制宿主细胞凋亡[3].很多病毒可以直接或间接地抑制caspase的活性来抑制细胞凋亡, 其中涉及丝氨酸蛋白酶抑制剂、细胞内抑制凋亡蛋白 (clAP) 的同型异构体家族、P35蛋白等。同时, 病毒可产生很多种表达产物 (主要是蛋白质) , 来抑制Fas L/Fas和TNF-α/TNFR-1的表达。这些蛋白质主要是通过模拟各种信号因子或受体的某些区域, 从而与相应的配体或配基竞争性结合, 阻断死亡信号的转导, 抑制细胞凋亡。
  
  3、细菌感染与细胞凋亡
  
  细菌属于原核生物, 可分为胞内寄生菌和胞外寄生菌。细菌可引起人类各种感染性疾病, 1992年首次发现细菌可以引起受感染的宿主细胞发生凋亡。此后的相关研究发现, 与病毒感染一样, 细菌感染对细胞凋亡既有抑制作用也有促进作用:细菌与宿主细胞, 特别是与宿主骨髓细胞系的细胞 (如单核细胞、巨噬细胞和树突细胞) 相互作用时, 可以通过相关细胞因子输入大量信号给宿主细胞, 这些信号同时具有诱导和抑制凋亡的特性, 平衡可被任一方打破[10].
  
  3.1 不同种类细菌与细胞凋亡
  
  细菌不同的生活方式对凋亡具有不同影响。由于有关细菌与细胞凋亡的研究较少, 细菌本身的分类也较为杂乱, 因此以下仅简要说明两类革兰氏细菌与细胞凋亡的关系。
  
  革兰阳性菌不产生内毒素脂多糖 (LPS) , 因此主要通过外毒素或一些特殊水解酶而发挥致病作用, 其中一些毒素与宿主细胞凋亡相关, 如化脓性链球菌外毒素B (SPEB) 、葡萄球菌的肠毒素 (SEB) 、白喉棒状杆菌白喉毒素 (DTX) 均可诱导细胞凋亡。例如, 用葡萄球菌产生的葡萄球菌肠毒素 (SEB) 注射小鼠, 会导致小鼠的脾脏和淋巴结肿大、但胸腺明显萎缩、胸腺细胞发生凋亡;并会进一步引起小鼠CD+4T和CD+8T淋巴细胞急剧减少, 免疫功能明显受损, 不能将病原体局限化, 从而更容易发生迁徙性病灶[11].
  
  革兰阴性菌具有LPS, 是重要的致病因子之一, 但LPS本身对TNF诱导的细胞凋亡有明显抑制作用, 即在一定程度上, 起到抑制细胞凋亡的作用, 这有利于细菌存活。研究发现, 革兰阴性菌主要通过非LPS毒性因子诱导机体细胞凋亡, 在造成细菌扩散的同时并发组织器官损害。例如, 幽门螺杆菌 (HP) 与胃十二指肠炎及溃疡发病密切相关。胃和十二指肠上皮细胞感染HP后, 胞内Fas抗原及Fas配体的形成明显增加, 由Fas L/Fas诱导上皮细胞凋亡, 形成临床常见的胃十二指肠炎, 重者可发展为胃十二指肠溃疡。同时, 研究证明胃炎癌变过程中HP感染是通过调控凋亡基因Survivin的表达实现的[12].
  
  3.2 细菌成分导致的凋亡诱导和抑制
  
  虽然不同种类的细菌对细胞凋亡的影响不同, 但细菌是否和病毒一样可以经过一些较为通用的分子途径影响细胞凋亡呢?
  
  哺乳动物细胞主要是根据细菌的成分来完成对细菌的识别, 如细菌的脂多糖 (LPS) 和脂磷壁酸。该识别过程涉及到很多细胞因子及信号通路, 其中Toll样受体 (TLR) 家族发挥了重要的作用。TLR的活化会引发复杂的细胞反应, 包括转录因子NF-κB家族成员和各种激酶信号传导途径的激活[13].实验发现, NF-κB具有抗凋亡活性, 可正向调节许多抑制凋亡的分子, 如Bcl-2家族成员Bcl-x、凋亡分子的细胞抑制剂以及cFLIP等。现已提出了多种反馈调节途径, 根据对这些途径的分析, 发现凋亡可能会干扰NF-κB的信号传送, NF-κB调节基因的产物也可增强抗凋亡基因的转录[10].由此可以看出, NF-κB家族成员及相关信号途径对细胞凋亡有着重要意义。
  
  除此之外, 在许多情况下细菌产物可阻止细胞凋亡:如埃里希体 (Ehrlichia) 蛋白成分、幽门螺杆菌 (HP) 的水溶性成分和Phyromonas gingivalis的菌毛均可抑制细胞自发性死亡。研究发现, 细菌产物的作用机理也和NF-κB活性提高有关。
  
  4、结语
  
  细胞凋亡是多细胞机体生命活动不可缺少的一部分, 由各种各样的分子刺激启动。随着对细胞凋亡与病原微生物相互作用的研究不断深入, 已经知道宿主-病原体相互作用诱导宿主细胞程序性死亡的机制非常复杂, 两者存在一种微妙的平衡。
  
  毫无疑问, 进一步阐明细胞程序性死亡及其调控的分子机制以及研究微生物在其宿主中诱导或抑制凋亡的机制, 将进一步了解宿主与病原体之间的复杂关系, 推动免疫学和医学的发展。
  
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