当人类被致病细菌感染时，人体的免疫系统会试图消灭入侵者。一种方法是通过启动炎症反应，包括保护性蛋白的表达，免疫细胞的激活，以及当受感染的细胞无法续存时控制细胞死亡等一系列事件。但是，病原体也已经进化出新的内溶酶体系统，从而实现在人体宿主细胞内生存和复制。鼠伤寒血清型沙门氏菌能够产生一种特殊的沙门氏菌空泡（SCV），提供一种膜结合的屏障，防止宿主非典型炎症小体检测STm表面结合的表面高免疫原性的脂多糖。当SCV完整性受损时，细菌脂多糖被释放到宿主细胞质中，触发非典型炎症和细胞死亡的强烈激活。因此，尽管宿主-病原体在内溶体系统中的相互作用，对宿主和病原体的生存都至关重要，但这一过程的分子机制仍不清楚。
近日，一项刊登在国际杂志Nature Microbiology上的最新研究中，来自欧洲分子生物学实验室等机构的研究团队通过系统跟踪感染过程中巨噬细胞的蛋白质动态变化，揭示了宿主防御病原体的新途径和机制。研究发现，当细胞被沙门氏菌感染时，组织蛋白酶（Cathepsins）会转移到一个新的位置，导致其在受感染细胞的细胞核中积聚。细胞核中组织蛋白酶主要是通过介导caspase-11依赖性细胞死亡信号通路，从而诱发宿主细胞的程序性死亡。研究者开发了一种特殊的化学标签标记（SILAC-AHA）新产生的蛋白质，从而实现对新合成的宿主蛋白质组进行特异性富集和定量。研究者运用蛋白质组学技术（质谱策略），从沙门氏菌（STm）感染后4、8和20 h的的巨噬细胞中的三个不同的亚细胞成分（样本策略），定量到4978个新合成的宿主蛋白质（图1a）。其中，分泌组检测到215种蛋白质；溶菌体（Lysatome）检测到4640种蛋白质；细胞核检测到1283种蛋白质。GO富集分析发现其主要参与感染和免疫刺激适应等生物学过程。意外的是，研究者发现溶酶体蛋白酶向胞外空间和细胞核的异常运输。在分泌组样本中，溶酶体蛋白质被显著富集。在细胞核中，同样也定量到了许多溶酶体蛋白酶。接着，研究者为了验证蛋白质组的变化是否是由于STm细胞表面高免疫原性的脂多糖（LSP）所引起，STm感染细胞的溶菌体与LPS刺激的细胞的数据比对，发现STm感染和LPS刺激在4h和8h均呈强正相关（图2a，b）。然后，研究者又比较了LPS和STm处理的细胞的分泌组，与溶酶体相似，STm感染和LPS刺激诱导的蛋白质分泌组随时间变化大致相似（图2c）。有意思的是，在STm感染期间同样发现了组织蛋白酶的表达显著增强。以上结果表明STm感染可诱导不同的宿主蛋白质组对脂多糖的反应。图2、STm感染可诱导不同的宿主蛋白质组对脂多糖的反应接着，研究者对STm感染过程中，细胞核的组织蛋白酶表达进行了分析。发现在20h时，在核仁中有几种组织蛋白酶强烈而显著地增加（图3a），而且这些蛋白质在溶菌体样本中的表达水平仅略有增加（图3b，c），因此它们在细胞核中的更强烈的增加可能是由于它们向细胞核内运输增加所导致。因此研究者推测，在STm感染过程中，组织蛋白酶可能发挥重要的作用，并对STm感染过程中溶酶体蛋白酶的机制进行了深入分析，发现STm中的 SPI-2可促进核组织蛋白酶活性。核组织蛋白酶活性改变不仅与宿主细胞死亡相关，而且组织蛋白酶的功能主要通过caspase-11依赖性细胞死亡信号通路所起作用。该研究通过利用蛋白质组学的手段，研究者监测了不同宿主细胞间隔和感染阶段新合成的蛋白质，意外发现溶酶体蛋白酶向胞外空间和细胞核的异常运输。利用实验，证实了活性组织蛋白酶重新转运到细胞核，并且它参与细胞死亡过程。组织蛋白酶活性是通过非典型炎症细胞死亡所必需的，脂多糖转染宿主细胞质足以触发宿主细胞核中的活性组织蛋白酶积累和组织蛋白酶依赖性细胞死亡。总的来说，该研究说明了在感染过程中宿主蛋白质组的动态变化将有助于解析宿主防御病原体的新途径和机制。1. Selking J., et al., 2020, Spatiotemporal proteomics uncovers cathepsin-dependent macrophage cell death during Salmonella infection. Nautre Microbiology. 
邹文安