撰文 | Qi
病原体对宿主细胞内环境变化的感知和反应能力对于其感染过程而言十分重要，鼠伤寒沙门氏菌（S.Tm）已进化至可以感知从细胞外环境到细胞内环境的转变，细胞内线索可以激活S.Tm二组分系统的信号，如PhoPQ和PmrAB可增强对宿主抗菌肽的抗性，以及位于沙门氏菌致病岛2（SPI-2）上的III型分泌系统可以实现S.Tm的细胞内复制【1】。对于宿主而言，巨噬细胞通过模式识别受体检测入侵细菌导致柠檬酸（TCA）循环中断，从而将宿主代谢从氧化磷酸化（OXPHOS）转变为有氧糖酵解，并随之积累多种代谢中间产物【2】。尽管人们越来越了解，这些代谢变化是在感染期间调节宿主促炎症反应的关键【3】，但宿主代谢重编程对细胞内病原体的影响在很大程度上还是未知的。
近日，来自以色列魏茨曼科学研究所的Roi Avraham团队在Science杂志上发表了一篇题为 Host succinate is an activation signal for Salmonella virulence during intracellular infection 的文章，这项研究表明S.Tm可以感知巨噬细胞内的琥珀酸累积从而促进抗菌素耐药性和III型分泌，如果S.Tm缺乏琥珀酸摄取转运体DcuB则会显示出在宿主体内的存活能力下降。因此，S.Tm选择巨噬细胞的代谢重编程作为诱导其自身毒力和存活的信号，为代谢宿主-病原体相互作用提供了另一个视角。
为了确认宿主来源的代谢物是否会影响S.Tm的毒性及其存活能力，作者首先使用2-脱氧葡萄糖（2DG）抑制巨噬细胞从OXPHOS向糖酵解的转变。结果显示经2DG处理后，S.Tm生长受损并诱导应激反应基因的表达；相反，在缺乏2DG转运体——ManZ的S.Tm突变体中则不会出现这些变化。因此，2DG和ΔmanZ突变体可作为研究巨噬细胞代谢重编程对细胞内S.Tm影响的模型。
接下来，为了测试抑制宿主OXPHOS到糖酵解转变对细胞内S.Tm的影响，作者整理在感染过程中被上调且在2DG处理时差异表达的960种细菌基因后发现，巨噬细胞的代谢状态可以被S.Tm感知。值得注意的是，在ΔmanZ感染、2DG处理的细胞中，介导S.Tm在巨噬细胞内存活的调节子表达降低，其中变化最显著的是SPI-2调节子。因此，感染巨噬细胞的代谢状态与S.Tm毒力基因表达之间存在明显的相关性。
那么是何种代谢物影响了S.Tm毒力基因的表达呢？作者通过分析感染期间细胞内累积的宿主来源代谢物类型，并利用抗菌肽多粘菌素B（PMB）检测S.Tm是否对这些代谢物类型有反应，发现S.Tm能够在添加琥珀酸盐的培养基中正常生长，由此可以假设琥珀酸盐可以作为诱导S.Tm毒力的信号。紧接着，作者使用14C标记琥珀酸盐，可以观察到S.Tm摄取并积累外源性琥珀酸盐。在这里，作者选择了与受感染的巨噬细胞代谢重塑相关的SPI-2候选基因的一个子集，检测到它们在含有琥珀酸盐培养基中的mRNA水平升高，因此可以推断琥珀酸足以启动S.Tm的毒力程序。
图1. 不同处理条件下，用质谱检测巨噬细胞内代谢物水平变化
需要注意的是，宿主琥珀酸水平的变化可能由细菌外膜感知也能由细菌内累积水平来体现。甘油可以碳源代谢物抑制从而阻止琥珀酸摄取，单独用琥珀酸培养的S.Tm表现出对SPI-2基因steC的剂量依赖性诱导，然而在含有甘油的培养基这种现象变不复存在。当再一次添加可渗透的琥珀酸（琥珀酸二乙酯）的情况下，即使存在甘油，steC的表达也升高。因此，这一发现提示琥珀酸被主动转运至细菌内进而诱导S.Tm毒性。
先前已经报道琥珀酸转运到细菌是由C4-二羧酸转运蛋白介导【4】，S.Tm在含琥珀酸的培养基中三种C4-二羧酸转运蛋白表达升高。作者检测了三种转运蛋白突变体下S.Tm在巨噬细胞内的存活率，发现ΔdcuB突变体的存活率显著降低。琥珀酸摄取在Δ3突变体（三种dcu突变体）中受到抑制，而补充dcuB后可以显著恢复摄取能力。此外，在感染的ΔdcuB突变体的巨噬细胞中，SseL（SPI-2效应子）向宿主细胞质的分泌也显著减少。因此，这些结果提示琥珀酸通过DcuB的主动转运是S.Tm毒力激活所必需的。
总的来说，这项工作表明S.Tm已将受感染巨噬细胞的代谢重编程作为诱导其自身毒力的信号。此外，作者提出一个模型，通过检测巨噬细胞代谢转变的TCA中间产物来调节细菌的毒力，这可能是阻止细胞内细菌致病成功的方法之一。
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/371/6527/400
参考文献
1. D. Drecktrah, L. A. Knodler, R. Ireland, O. Steele-Mortimer, Traffic 7, 39–51 (2006).
2. D. G. Ryan, L. A. J. O’Neill, Annu. Rev. Immunol. 38, 289–313 (2020).
3. L. E. Gleeson et al., J. Immunol. 196, 2444–2449 (2016).
4. I. G. Janausch, E. Zientz, Q. H. Tran, A. Kröger, G. Unden, Biochim. Biophys. Acta Bioenerg. 1553, 39–56 (2002)