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“你死我活”:肠道微生物的就地取材

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BioArt 2021-09-14 12:59

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撰文 | 十一月

调节细胞死亡是生命的重要组成部分,对机体的发育和稳态具有广泛的影响【1】。细胞死亡调节过程中的故障可能会造成包括胃肠道在内的各种组织的疾病。细胞死亡和胃肠道疾病之间存在着可能的联系,但是具体的因果关系还很难验证和界定,而且死亡的哺乳动物细胞对细菌生长的直接影响也尚不清楚。

近日,比利时VIB-UGent炎症研究中心Kodi S. Ravichandran研究组发文题为Microbes exploit death-induced nutrient release by gut epithelial cells发现微生物利用肠道上皮细胞死亡诱导的营养释放进行因地制宜的“就地取材”促进生长引发炎症和病变。

其实一直以来,关于胃肠疾病、哺乳动物细胞凋亡和肠道细菌之间存在着一种具有相关性而非因果的联系。举例来说,许多食源性的细菌病原体比如肠炎沙门氏菌(Salmonella enterica,Salmonella)可以直接或者间接诱导哺乳动物细胞的死亡【2】。另外,炎症性肠病(Inflammatory bowel disease,IBD)患者的细胞凋亡水平增加,肠杆菌科细菌的菌群也会增加【3】。化疗药物会引起胃肠道粘膜炎,增加发生感染的风险。考虑到哺乳动物细胞死亡和细菌生长之间的密切病理相关性,作者们想知道凋亡的细胞中是否会释放信号分子为细菌提供直接的“燃料”。

为了检测其中可能存在的因果关系,作者们建立了原代结肠菌培养外植体,并通过十字孢碱(Staurosporine)或者阿霉素(Doxorubicin)药物诱导细胞死亡(图1)。外植体在药物处理后依然可以保持正常的结构,但是会在处理后会引发细胞凋亡。作者们发现从外植体中收集的凋亡上清会显著促进了沙门氏菌的生长。为了证明该生长过程的确与上皮细胞凋亡之间的直接关系,作者们在外植体中敲除了caspase-3以及caspase-7后发现在十字孢碱药物处理之后对沙门氏菌的生长促进作用消失。该结果说明凋亡的细胞中可能会分泌一些caspase依赖的细菌生长的促进因子进入培养基上清之中。从凋亡的结肠细胞释放的的小分子或代谢物作为营养物质,促进致病性、共生和机会性肠杆菌科的生长,因此作者们将该过程称为死亡诱导营养素释放(Death-induced nutrient release,DINNR)。

图1 外植体中建立细胞凋亡诱导的工作流程以及切片结果

那么外植体细胞凋亡后促进沙门氏菌生长的具体分子机制是什么呢?为了揭开这一问题的答案,作者们对沙门氏菌进行了RNA-seq。作者们通过该体外系统共鉴定发现了8个沙门氏菌在细胞凋亡后发生显著变化的基因。其中三个基因功能未知,三个是转录调控的因子,另外两个可能与沙门氏菌在细胞凋亡后生长促进相关。一个是cadB,编码参与调节细菌胞质pH的赖氨酸/尸胺反转运体【4】,最后一个是pflB,是丙酮酸酯裂解酶,可从丙酮酸生成乙酰辅酶A和甲酸盐【5】。通过遗传操作,作者们发现cadB表达量的提高可以显著增加沙门氏菌的生长,但是对于大肠杆菌的生长则没有任何影响,因此说明细胞凋亡上清的转录反应存在物种差异。但是在构建ΔpflB之后,细菌的生长则受到显著的降低,因此作者们将目光集中在了PflB之上。作者们发现,哺乳动物在Pflb依赖性沙门氏菌生长过程中产生的丙酮酸(图2)

图2 哺乳动物的丙酮酸产生途径

细胞凋亡之后主要通过PanX1(pannexin-1)膜通道释放6种核心代谢产物【6】。通过将显性抑制型PanX1的引入,沙门氏菌在细胞凋亡的上清处理后的生长促进会受到显著地影响。因此,PanX1依赖的代谢产物与沙门氏菌的PflB之间存在直接的联系。另外,作者们还发现细胞凋亡响应的基因会驱动沙门氏菌的定植,帮助其战胜其他的微生物竞争者。

进一步地,作者们想在更为体内的环境对细胞凋亡代谢产物与沙门氏菌生长促进之间的因果关系进行验证,作者们对小鼠进行了阿霉素的处理,处理后发现阿霉素会造成小鼠肠道内的病理性响应,同时会增加沙门氏菌感染的负担。而在细胞凋亡缺陷型的小鼠中阿奇霉素处理后则会保护肠道免受损伤,同时可以缓解沙门氏菌的感染负担。

总的来说,该工作发现肠杆菌科的细菌通过利用可溶性因子从死亡的肠上皮细胞释放,来为自己的生长提供“燃料”,从而建立了细胞凋亡代谢产物与促进细菌生长之间的因果关系并阐明了具体分子机制,为肠道炎症和细胞毒性化疗的缓解和治疗将提供新的参考。

原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03785-9

参考文献

1 Boada-Romero, E., Martinez, J., Heckmann, B. L. & Green, D. R. The clearance of dead cells by efferocytosis. Nature reviews. Molecular cell biology 21, 398-414, doi:10.1038/s41580-020-0232-1 (2020).

2 Storek, K. M. & Monack, D. M. Bacterial recognition pathways that lead to inflammasome activation. Immunological reviews 265, 112-129, doi:10.1111/imr.12289 (2015).

3 Iwamoto, M., Koji, T., Makiyama, K., Kobayashi, N. & Nakane, P. K. Apoptosis of crypt epithelial cells in ulcerative colitis. The Journal of pathology 180, 152-159, doi:10.1002/(sici)1096-9896(199610)180:2<152::Aid-path649>3.0.Co;2-y (1996).

4 Dell, C. L., Neely, M. N. & Olson, E. R. Altered pH and lysine signalling mutants of cadC, a gene encoding a membrane-bound transcriptional activator of the Escherichia coli cadBA operon. Molecular microbiology 14, 7-16, doi:10.1111/j.1365-2958.1994.tb01262.x (1994).

5 Knappe, J. & Sawers, G. A radical-chemical route to acetyl-CoA: the anaerobically induced pyruvate formate-lyase system of Escherichia coli. FEMS microbiology reviews 6, 383-398, doi:10.1111/j.1574-6968.1990.tb04108.x (1990).

6 Medina, C. B. et al. Metabolites released from apoptotic cells act as tissue messengers. Nature 580, 130-135, doi:10.1038/s41586-020-2121-3 (2020).

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