陳蘭芬組在《Nature Communications》上揭示宿主感染過程中巨噬細(xì)胞如何維持病原殺傷ROS的產(chǎn)生和消除平衡以防止自身氧化損傷和衰老的重要機(jī)制
先天免疫系統(tǒng)在防止病原生物入侵宿主方面起著重要作用。當(dāng)病原體侵入機(jī)體后，以巨噬細(xì)胞為代表的吞噬細(xì)胞立即響應(yīng)，識(shí)別并吞噬病原體并調(diào)動(dòng)NADPH氧化酶體和線粒體向吞噬泡內(nèi)釋放大量活性氧簇（ROS）以實(shí)現(xiàn)對(duì)病原體的殺滅和清除。在此過程中，巨噬細(xì)胞如何維持ROS的產(chǎn)生和消除之間的平衡以實(shí)現(xiàn)清除病原體的同時(shí)還能防止ROS導(dǎo)致自身損傷和衰老就顯得尤為關(guān)鍵。
2月14日，細(xì)胞應(yīng)激生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、細(xì)胞信號(hào)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同創(chuàng)新中心、廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳蘭芬教授課題組在《Nature Communications》上發(fā)表了題為“Macrophage achieves self-protection against oxidative stress-induced ageing through the Mst-Nrf2 axis”的研究論文，揭示了巨噬細(xì)胞中的Hippo激酶Mst1/2能夠感應(yīng)ROS并募集到自吞噬體和線粒體的ROS產(chǎn)生部位并被釋放的ROS活化，進(jìn)而激活抗氧化轉(zhuǎn)錄因子Nrf2來維持胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)，從而在巨噬細(xì)胞對(duì)病原體清除期間保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷導(dǎo)致衰老與死亡的重要機(jī)制。
本項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，與野生型巨噬細(xì)胞相比，Mst1/2缺失的巨噬細(xì)胞的本底ROS水平較高，持續(xù)性氧化應(yīng)激造成DNA損傷和細(xì)胞凋亡，而抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸（NAC）處理可以顯著緩解Mst1/2敲除的巨噬細(xì)胞的氧化應(yīng)激表型。此外，在老年小鼠中，Mst1/2缺失的巨噬細(xì)胞更早出現(xiàn)免疫應(yīng)答功能和抗感染能力下降、胞內(nèi)脂褐素的積累更為顯著以及端粒長(zhǎng)度更短等早衰現(xiàn)象，導(dǎo)致巨噬細(xì)胞病原清除能力下降，容易造成機(jī)體的病原感染。這些結(jié)果表明Mst1/2激酶可能在巨噬細(xì)胞ROS穩(wěn)態(tài)維持和抗衰老中發(fā)揮重要作用。進(jìn)一步分析氧化應(yīng)激相關(guān)的幾個(gè)轉(zhuǎn)錄因子后，發(fā)現(xiàn)與T細(xì)胞或B細(xì)胞相比，Nrf2在巨噬細(xì)胞中高表達(dá)，并且與野生型相比，Mst1/2敲除的巨噬細(xì)胞中多個(gè)Nrf2下游靶基因表達(dá)顯著降低。深入研究發(fā)現(xiàn)Mst1/2缺失的巨噬細(xì)胞中Nrf2泛素化水平明顯上升，蛋白水平顯著降低。利用病毒載體回補(bǔ)Nrf2明顯緩解Mst1/2缺失的巨噬細(xì)胞內(nèi)ROS水平、DNA損傷和細(xì)胞凋亡比例，證實(shí)了在巨噬細(xì)胞中抗氧化因子Nrf2是Hippo激酶下游的關(guān)鍵分子。
圖1.Mst1/2可以感受ROS并募集到自吞噬體（左邊）和線粒體（右邊）的ROS產(chǎn)生部位，被釋放的ROS激活
該課題組機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)激酶Mst1/2可以感受ROS并募集到自吞噬體和線粒體的ROS產(chǎn)生部位，被釋放的ROS激活，活化的Mst1/2調(diào)節(jié)抗氧化轉(zhuǎn)錄因子Nrf2來維持胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)，在病原體清除期間保護(hù)細(xì)胞免受大量殺傷性ROS誘導(dǎo)的氧化損傷。Nrf2受到負(fù)性調(diào)節(jié)蛋白Keap1的精確調(diào)控，多聚化的Keap1能通過C端Kelch結(jié)構(gòu)域錨定Nrf2并促使其走向蛋白酶體依賴性降解，從而抑制其轉(zhuǎn)錄活性。本項(xiàng)目研究人員觀察到Keap1也能夠響應(yīng)大腸桿菌侵染與Mst1/2在大腸桿菌侵染部位形成三者共定位，而這一現(xiàn)象在使用NAC預(yù)處理后明顯減少。進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)Mst1/2激酶可直接結(jié)合Keap1，并對(duì)Keap1的四個(gè)位點(diǎn)的進(jìn)行磷酸化修飾，Mst1/2介導(dǎo)的Keap1磷酸化阻止了Keap1分子的多聚化，從而阻斷了Nrf2的泛素化和蛋白降解。而當(dāng)Keap1分子中的四個(gè)位點(diǎn)突變?yōu)?/span>Mst1/2激酶持續(xù)失活形態(tài)的Keap14A時(shí)，更易形成多聚化Keap1，增加了Nrf2的泛素化水平和蛋白不穩(wěn)定性，從而造成細(xì)胞氧化損傷。因此本研究揭示了在巨噬細(xì)胞參與宿主防御過程中存在的一條新穎的抗氧化和抗衰老信號(hào)，闡明了Mst1/2參與調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞維持氧化應(yīng)激穩(wěn)態(tài)以實(shí)現(xiàn)清除病原體的同時(shí)還能避免ROS誘導(dǎo)的自身損傷和細(xì)胞衰老的關(guān)鍵機(jī)制，為進(jìn)一步研究氧化應(yīng)激是如何促進(jìn)衰老相關(guān)炎癥和感染的發(fā)生和發(fā)展提供可能的理論基礎(chǔ)。
圖2. Hippo通路調(diào)控巨噬細(xì)胞病原殺傷ROS產(chǎn)生及抗氧化衰老中發(fā)揮重要作用。左圖：揭示了巨噬細(xì)胞內(nèi)Hippo激酶Mst1/2調(diào)控線粒體遷移及促進(jìn)其向吞噬小泡募集與吞噬體協(xié)同產(chǎn)生大量殺傷性ROS，清除病原體的功能和機(jī)制?(Nature Immunol, 2015，封面文章) ；右圖：發(fā)現(xiàn)Hippo激酶Mst1/2能感應(yīng)胞內(nèi)ROS并募集到ROS釋放的細(xì)胞器附近并被活化，進(jìn)一步激活和穩(wěn)定抗氧化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子Nrf2, 實(shí)現(xiàn)巨噬細(xì)胞在殺傷病原同時(shí)能自身抗氧化損傷與衰老的重要機(jī)制?(Nature Commun, 2019) 。
陳蘭芬教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于Hippo信號(hào)通路在免疫系統(tǒng)中的功能機(jī)制研究。該團(tuán)隊(duì)于2015年在《Nature Immunology》雜志以封面故事闡明了吞噬性細(xì)胞內(nèi)激酶Mst1/2通過活化Rac家族蛋白來調(diào)節(jié)線粒體向吞噬小泡募集并釋放ROS來清除病原體，這個(gè)生物學(xué)過程在天然免疫和宿主防御中發(fā)揮著重要作用。2017年，該團(tuán)隊(duì)再次在《Nature Immunology》雜志以封面故事闡釋了Hippo通路轉(zhuǎn)錄共激活因子TAZ在決定CD4+初始T細(xì)胞分化為促進(jìn)炎癥的TH17效應(yīng)細(xì)胞和抑制免疫反應(yīng)的Treg調(diào)節(jié)性細(xì)胞過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，揭示了TAZ在調(diào)節(jié)自身性免疫疾病發(fā)生發(fā)展中的重要功能。
廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生王平和博士后耿晶為論文共同第一作者，通訊作者為陳蘭芬教授。該研究工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究重大專項(xiàng)等資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-08680-6
（生命科學(xué)學(xué)院）?
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