
题目:Tissue Damage Signaling Is a Prerequisite for Protective Neutrophil Recruitment to Microbial Infection in Zebrafish
原文链接:https://doi.org/10.1016/j.immuni.2018.04.020
期刊:Immunity
研究亮点
l 对斑马鱼的活体成像揭示了组织损伤信号传导的有益作用
l 缺乏损伤信号传导会消除中性粒细胞向微生物感染部位的早期迁移
l 胞质磷脂酶(A_{2}(cPla_{2}))整合微生物和组织损伤信号
l 组织损伤信号启动中性粒细胞迁移,微生物模式则放大这一过程
图形摘要
为在斑马鱼体内构建局部感染模型,我们将约 2×10⁴菌落形成单位(CFU)的铜绿假单胞菌(PA)或大肠杆菌菌悬液注射至斑马鱼幼鱼耳泡(耳部)3日龄幼虫(图1A)(Deng等人,2012)。悬浮液中添加了1毫米荧光微珠以标记感染部位。这些微珠可作为明亮且可靠的荧光示踪剂来追踪细菌的扩散,类似于荧光PA(图1B和1C;视频S1)。假设其为球形,我们将耳部体积估算为1纳升。为通过超压使耳部腔表皮破裂,我们注射了体积更大的微生物悬浮液。注射造成的损伤(图S1A)使微生物和浸泡液能够进入鱼的间质,同时也让耳液与浸泡液快速达到平衡,这一点可从4千道尔顿荧光葡聚糖从耳腔中快速流失得到证实(视频S2)。
我们在荧光lysC(Hall等人,2007)中性粒细胞报告基因幼虫中,通过延时显微镜观察了耳部注射细菌或缓冲液后90分钟内中性粒细胞的募集情况。在标准低渗浸泡条件下(低渗+PA),三分之一的动物感染后出现了强烈的白细胞募集反应(图1C,“高反应者”,HR)。这些强烈反应的特征是中性粒细胞同步向耳部感染部位聚集(视频S3)。三分之二的动物则表现出零星、非同步的中性粒细胞迁移(图1C,“低反应者”,视频S3)。观察到的动物数量相对较多,这有助于我们识别并量化这种反应异质性。尽管导致这一现象的具体因素尚不明确,但我们推测,生物学阈值、(表观)遗传变异、注射诱导的耳部破裂的随机性等因素可能都发挥了作用。为了实现无偏的表型分类(图1C),从41种实验条件下的1600次注射实验中随机选取盲法中性粒细胞募集曲线,并将其手动分类为高反应者和低反应者“训练集”。随后利用这些训练集自动计算每个实验组中高反应者的频率(高反应指数,HRi)。使用高斯混合分布模型在不人工选择参考集的情况下进行无监督表型分类(图1C和图S1B)得到了相似结果,这证明了该方法的稳健性。
图1. 铜绿假单胞菌(PA)感染斑马鱼幼鱼耳朵会在部分动物中引发强烈的中性粒细胞反应(A)实验示意图。(B)微生物耳部注射形成局部感染灶,eGFP标记的铜绿假单胞菌(PA)可清晰显示感染位置(图中为低渗沐浴条件)。该图为n=6次注射实验的结果。比例尺为100微米。(C)上图为不同时间点下,低反应型(左)和高反应型(右)动物中性粒细胞向感染耳朵募集的延时成像图。分别对应n=205次(左)和n=125次(右)注射实验。中性粒细胞呈红色,荧光微球(蓝色)标记耳部区域。比例尺为100微米。下图为低渗+铜绿假单胞菌(Hypo + PA)组鱼中性粒细胞募集动力学曲线,通过与人工生成的训练集对比,计算将其分为低反应型(黑色)和高反应型(红色)。高反应型指数以饼图展示。蓝色百分比代表无监督(即独立于训练集)高斯分布聚类算法得出的相似高反应型指数。括号内为注射实验次数。另见图S1。
选择性抑制组织损伤信号可抑制中性粒细胞向感染部位的保护性募集
在细胞培养实验中,微生物可通过甲酰化肽及其他释放的趋化因子吸引中性粒细胞(Nuzzi 等人,2007;Schiffmann 等人,1975)。这些实验前后通常会加入血清,这可能模拟伤口微环境的某些特征。同样,原代中性粒细胞的分离过程也包含致损伤操作。尽管这些体外实验对于解析基础趋化信号机制具有重要价值,但尚不清楚它们模拟了哪种生理状态(若存在的话)。通过等渗液处理抑制组织损伤信号(等渗+PA)可显著减少中性粒细胞向感染耳朵的募集,而微生物的活性未受影响(图S2A)。液的渗透压也未明显改变耳朵部位注射诱导的细胞裂解(图S1A),这与之前在尾鳍损伤实验中的研究结果一致(Enyedi 等人,2013;Gault 等人,2014)。在等渗液处理条件下,PA 刺激仍可偶尔引发强烈的白细胞反应,其与低渗液处理条件下的反应无明显差异,但大肠杆菌(TOP10)刺激则无此效应感染(图2A、视频S3、图S2B)。有毒力的铜绿假单胞菌(PA14菌株)而非无害的实验用大肠杆菌,即使在没有渗透性组织损伤信号的情况下也能诱导中性粒细胞募集,其基础能力可能与铜绿假单胞菌的细胞毒性有关(达谢克斯等人,2001年)。如上所述,坏死性细胞死亡即使在等渗细胞外环境中也会涉及细胞和细胞器的肿胀。细菌磷脂酶ExoU是铜绿假单胞菌的主要毒力因子,可导致细胞坏死,其机制可能是破坏细胞膜(芬克-巴班松等人,1997年;豪泽,2009年)。为了验证等渗浸泡条件下铜绿假单胞菌感染引发的基础中性粒细胞募集是否由铜绿假单胞菌介导的细胞毒性导致,我们使用了ExoU突变的铜绿假单胞菌菌株(PA exoU)开展实验。结果显示,与野生型铜绿假单胞菌相比,注射PA exoU后中性粒细胞的募集程度显著降低。剩余的中性粒细胞反应可能源于ExoU非依赖性的残余细胞毒性。值得注意的是,分别将PA exoU与非微生物性膜破坏剂蜂毒肽(天然存在于西方蜜蜂的毒液中)和洋地黄皂苷(天然存在于紫花洋地黄中)共同注射后,中性粒细胞的募集能力得以恢复(图2A和图2B)。蜂毒肽而非洋地黄皂苷会适度降低细菌存活率与蜂毒肽已知的抗菌功能相符(图S2C)(Picoli等人,2017),但热灭活PA的对照实验表明,在本研究体系中细菌存活率并不影响中性粒细胞的募集(图S2D和S2E)。综上,这些实验证明,例如由细菌毒力诱导的细胞坏死,在一定程度上可以功能性替代细胞外低渗状态。这为组织损伤信号(无论是渗透压信号还是其他类型信号)作为体内抗菌中性粒细胞反应的关键触发因素提供了有力依据。
图2. 组织损伤信号的选择性抑制可消除中性粒细胞对感染部位的反应(A)存在(低渗)或不存在(等渗)渗透性组织损伤信号时,铜绿假单胞菌(PA)或大肠杆菌(E. coli)感染后的HR指数,以及HR指数随微生物细胞毒性(ExoU)的变化情况。HR指数以饼图形式呈现。星号代表费希尔精确检验 (p<0.05)。注:低渗+铜绿假单胞菌参考组与其他图中一致。括号内为注射实验次数。(B) 中性粒细胞平均募集量随内源性、微生物(ExoU)及外源性(洋地黄皂苷、蜂毒肽)细胞毒性的变化情况。阴影区域为n次注射实验的均值标准误(括号内)。(C) 中性粒细胞追踪分析。上图为n次注射实验(括号内)的代表性图像;下图为白细胞迁移参数表。v代表迁移速度,l代表路径长度,(D_{p})代表方向持续性。图中为指定注射实验次数(括号内)的平均值±均值标准误。星号代表指定组间的单因素方差分析,P<0.05 (p<)。比例尺为100毫米。(D) 上图为替代注射位点示意图;下图为存在(低渗)和不存在(等渗)渗透性组织损伤信号时,不同时间点中性粒细胞向肌肉感染位点募集的静态图像。图像组代表(n=40 (Hypo +PA ))和(n=37 (Iso +PA ))次注射实验。箭头指示注射位点。比例尺为100毫米。(E) 中性粒细胞向肌肉注射位点的平均募集量随渗透性组织损伤信号的变化情况。阴影区域为n次注射实验的均值标准误(括号内)。另参见图S2。
与低渗沐浴条件相比,幼虫在等渗(等渗+苯丙胺)条件下感染时,中性粒细胞的平均速度、路径长度和持续时间均降低(图2C)。等渗环境并未降低未感染(即未注射且未受损)幼虫的中性粒细胞随机迁移。因此,低渗刺激中性粒细胞募集需要皮肤损伤,这可能是通过使低渗沐浴液进入机体实现的,进而在受感染的耳朵处引发局部细胞肿胀。
在等渗条件下感染的动物中,残留的高反应者出现情况(Iso + PA)(图2A,视频S3)、等渗条件对白细胞随机迁移无抑制作用(图2C),以及我们之前的研究结果,即外源性类花生酸可绕过等渗抑制作用(Enyedi 等人,2013)的研究反驳了等渗液对中性粒细胞运动存在普遍抑制作用的观点。此外,等渗处理在所有实验时间范围内均未产生毒性,且同样阻断了中性粒细胞向躯干肌肉中另一感染部位的募集(每注射 (2x10) 集落形成单位;图2D、2E,视频S4)。我们推测低渗液是否可能通过调控趋化因子的表达来促进中性粒细胞的快速募集,而趋化因子表达是病原相关分子模式和损伤相关分子模式信号传导中研究充分的效应机制。与这一推测相悖的是,在感染前和感染期间用环己酰亚胺处理斑马鱼以阻断蛋白质合成,在我们的实验中几乎未产生影响(图S1B、S3)。
HR指数被证实可预测感染后的存活率:在存在组织损伤信号的情况下,38%的幼虫表现出强烈的中性粒细胞反应,存活率为44%。而在无组织损伤信号时,仅有9%的动物出现强烈的中性粒细胞募集,存活率仅为15%(图2A和图3)。大多数动物在感染后一天内因耳部感染死亡。感染部位靠近中枢神经系统,加之PA14菌株的高细胞毒性,可能加速了它们的死亡。等渗沐浴处理仅在感染后的最初两小时内进行。因此,感染后即刻的损伤信号传导似乎对感染后的存活至关重要,这为机体提供了一种选择优势。
图3. 渗透压的选择性抑制存在或不存在注射实验次数的情况下感染PA的幼虫。星号表示对数秩检验 (p<0.05)。括号表示每个图表对应不同的PA浓度。渗透组织损伤信号的感染后生存梅耶-卡普兰图。
渗透压损伤信号的抑制并不会消除微生物识别
为了探究组织损伤信号的抑制是否会干扰微生物模式识别,我们在铜绿假单胞菌(PA)感染后采用了mRNA测序技术。将未感染的幼虫与在低渗(低渗+PA)或等渗(等渗+PA)溶液中感染PA的幼虫进行对比,结果显示,组织损伤信号是PA感染引发完整转录反应(即100个基因上调或下调两倍)所必需的(图4A、表S1)。不过,仅靠微生物信号就能诱导一部分免疫基因表达,这些基因包括AP-1亚基(fosl1、junba、junbb)、环氧合酶2(ptgs2b)、白介素1b(il1b)以及NADPH氧化酶组装因子1a(noxo1a),它们是细菌脂多糖(LPS)已知的宿主效应分子(Eliopoulos等人, 2002;Forn-Cuní等人, 2017;Kawahara等人, 2005;van der Vaart等人, 2013)。研究已知,即便没有微生物存在,组织损伤也会诱导编码AP-1亚基、白介素1b和环氧合酶2的基因表达(Chen和Núñez, 2010;Fitsialos等人, 2007)。这或许可以解释为何低渗损伤信号的缺失会削弱这些基因的诱导表达。整体原位杂交结果显示,感染后白介素1b(il1b)的mRNA呈强烈且全身性的表达(可能存在于巨噬细胞中),无论渗透浴条件(图4B)。因此,在没有渗透组织损伤信号的情况下,细菌信号仍能被识别并诱导重要炎症基因的显著上调。
图4. 无渗透组织损伤信号不阻碍微生物检测(A)左图:在耳部感染60分钟后,无(等渗+PA)或有(低渗+PA)渗透组织损伤信号的情况下,显著(校正后P值<0.05)上调或下调至少两倍的mRNA的维恩图。右图:交集基因集的对数2倍调控变化(蓝色)。大号字体为已知的脂多糖下游效应分子。更多细节见表S1。结果来自n=3次独立的mRNA测序实验。(B)il1b mRNA的原位杂交。左图:在指定数量的注射实验中观察到的不同类型染色模式的代表性图像(括号内为右图对应数据)。右图:染色模式频率的定量分析。
(cPla _{2}) 整合组织损伤和微生物诱导的信号传导
根据我们的mRNA测序结果,我们推测铜绿假单胞菌(PA)是通过脂多糖(LPS)信号通路被检测到的。事实上,铜绿假单胞菌的脂多糖突变株(Feinbaum等人,2012年)引发的白细胞募集反应显著减少,而多鞭毛的铜绿假单胞菌突变株(fleN)(Feinbaum等人,2012年)并未显著增强相关反应(图5A)。在哺乳动物中,脂多糖可被Toll样受体(TLRs)识别,也可被非经典炎症小体识别,这两种方式均会触发白细胞介素-1(IL-1)信号通路(Barton和Medzhitov,2003年;Kayagaki等人,2013年)。髓样分化初级反应蛋白88(Myd88)是Toll样受体和白细胞介素-1受体的保守信号衔接蛋白,它在斑马鱼中介导脂多糖的识别(van der Vaart等人,2013年)。使用已发表的吗啉代寡核苷酸(van der Sar等人,2006年)对myd88进行反义沉默,而非使用myd88错配吗啉代寡核苷酸,会减弱白细胞向野生型铜绿假单胞菌的募集(图5A),这与宿主对铜绿假单胞菌的检测至少部分通过脂多糖信号通路发生的观点一致。相比之下,对半胱天冬酶募集结构域蛋白(pycard,即ASC)——一种保守的炎症小体衔接蛋白——进行吗啉代寡核苷酸沉默,对快速的白细胞募集反应几乎无影响(图S4A)。
我们此前发现,渗透组织损伤信号是在细胞和细胞核肿胀时通过生物力学激活来转导的(Enyedi 等人,2013,2016)。事实上,在不存在渗透组织损伤信号的情况下,花生四烯酸产物仍能诱导白细胞募集(图S1B和图S3B)。使用不同的已发表吗啉代反义沉默磷脂酶A2(pla2g4aa)可减弱中性粒细胞募集(图5A、图S4B、图S4C)。通过mRNA注射过表达pla2g4aa则会增加中性粒细胞募集。5-脂氧合酶(5-LOX)和环氧化酶(COX)在花生四烯酸下游代谢生成趋化性白三烯、氧代类花生酸或前列腺素(Dennis & Norris, 2015; Ra˚ dmark 等人,2015)。阿司匹林可抑制类花生酸级联反应的前列腺素分支,但它并未阻断中性粒细胞募集——反而我们观察到其具有刺激作用,这可能是通过花生四烯酸分流进入5-LOX通路实现的(图S1B和图S3B)。5-LOX拮抗剂齐留通,以及脂氧合酶和环氧化酶双重抑制剂利考非酮则可减弱中性粒细胞募集(图S1B和图S3B)。结合我们此前的研究(Enyedi 等人,2013,2016),这表明类花生酸级联反应可通过其5-LOX分支在微生物感染过程中感知渗透损伤信号,该分支会产生强效的中性粒细胞趋化因子,如5-氧代-ETE和白三烯B4。而微生物如何作用于该通路仍是一个待解的问题。
PA 通过 LPS-TLR-Myd88-MAP 激酶信号轴诱导胞质磷脂酶A2(cPLA2)磷酸化(Hurley 等人,2006、2011年)(Lindner 等人,2009年;Qi 和 Shelhamer,2005年;Ruipe´ rez 等人,2009年),而 cPLA2 的磷酸化会增强该酶的水解活性,这一活性在与膜结合后得以体现(Tucker 等人,2009年)。与其他研究结果一致(Schievella 等人,1995年;Tucker 等人,2009年),我们此前发现磷酸化并不会增加 cPla2 的膜募集(Enyedi 等人,2016年)。相反,cPla2 与膜的相互作用受 Ca²⁺ 和核膜张力的刺激,而这两者均由组织损伤引发(Enyedi 等人,2016年)。目前尚无针对斑马鱼 cPla2 的磷酸化位点特异性抗体,但我们可通过从幼虫提取物中亲和纯化磷酸化蛋白,检测到耳部感染后 cPla2 磷酸化被激活(图 S4D)。可以推测,这些全动物水平的磷酸化变化可能低估了耳部感染部位局部磷酸化水平的升高。为验证 cPla2 磷酸化是否在体内调控抗菌中性粒细胞反应,我们对 cPla2 主要且保守的磷酸化位点进行了突变(S498A)。注射 S498A 突变体 mRNA 可显著抑制 PA 诱导的中性粒细胞募集(图 5A)。结合已发表的研究结果,这些实验表明 cPla2 以机械化学方式整合微生物与组织损伤信号(图 5B)。
图5 胞质磷脂酶 A₂(cPla₂)整合组织损伤信号与微生物信号
讨论
我们在体内细菌感染过程中分离了组织损伤和微生物诱导的信号通路,并证实,在缺乏组织损伤信号的情况下,中性粒细胞会忽略细菌。这些本研究的数据对现有文献观点提出了挑战,该观点认为微生物相关信号或组织损伤信号单独就足以触发先天免疫反应。这一文献观点得到了病原体相关分子模式(PAMPs)和损伤相关分子模式(DAMPs)共享一组模式识别受体(PRRs)这一概念的支持,例如损伤相关分子模式HMGB1可通过Toll样受体4(TLR4)传递信号,与病原体相关分子模式脂多糖(LPS)的作用机制类似。同样,宿主内源性的线粒体相关信号以及宿主外源性的微生物甲酰化肽,可与同一类甲酰肽受体结合。本研究结果表明,在体内,组织损伤信号与微生物信号激活先天免疫反应的能力并不等同。具体而言,大肠杆菌所含的病原体相关分子模式,或铜绿假单胞菌外泌毒素U(ExoU)无法触发,或几乎无法触发强烈的中性粒细胞反应,这与渗透压损伤信号形成鲜明对比。因此,在本研究的模型中,组织损伤信号是快速募集具有抗菌作用的中性粒细胞的主要触发因素,而微生物模式识别会进一步放大这一过程。若病原体相关因子(如ExoU)造成宿主损伤,它们也可单独启动中性粒细胞反应。这种潜在的信号层级似乎是由胞质磷脂酶A2(cPLA2)的分子激活通路所固有决定的,该通路包括通过损伤诱导的钙离子和核膜张力实现的膜转位介导的初始激活(Enyedi等人,2013,2016),以及随后通过磷酸化作用放大其水解活性。转录诱导的趋化因子在中性粒细胞对感染的即时反应中参与度有限,这一点并不完全出人意料:脂质趋化因子可在数秒内合成,而需要先完成基因表达的肽类趋化因子,其发挥作用预计会存在一定延迟。因此,在更复杂的转录调控机制发挥主导作用之前,快速的酶促反应机制能够提供暂时性的免疫保护。尽管斑马鱼在幼体早期阶段不具备适应性免疫系统,但这一机制与适应性免疫的“危险模型”“损伤模型”或相关的“双信号模型”在概念上的相似性是毋庸置疑的(Land和Messmer,2012;Matzinger,2002;Vance,2000)。作为脂质介导共刺激信号的一个实例,树突状细胞近期被证实可激活适应性免疫反应。在小鼠体内,当宿主来源的脂质DAMPs(氧化磷脂酰胆碱,OxPAPC)与微生物来源的脂多糖(LPS)同时存在时,会通过半胱天冬酶11(caspase 11)和炎症小体依赖性途径诱导白细胞介素-1β(IL-1β)的产生(Zanon等人,2016)。在本研究中,通过吗啉代寡核苷酸介导的PYCARD基因沉默实验,未发现炎症小体参与中性粒细胞快速募集的证据。尽管如此,为了保持类比关系,花生四烯酸与氧化磷脂酰胆碱一样,可被视为一种脂质DAMP:多不饱和脂肪酸(如花生四烯酸或亚麻酸)是古老的组织损伤信号。在通常不含花生四烯酸的植物中,亚麻酸通过十八碳烷途径参与茉莉酸的合成,该途径是动物类花生酸途径的植物“对应物”。茉莉酸是生物和非生物胁迫响应(包括伤口响应)的核心调控因子(Niethammer,2016)。我们注意到,生物医学文献中对“DAMP”一词的使用往往更狭义,特指从裂解细胞中泄漏并结合模式识别受体(PRRs)的细胞质因子。
我们的观察结果是否有助于解释中性粒细胞对良性共生细菌(例如,B€ackhed 等人)的耐受性2005;内森,2006)?在没有外部伤口信号的情况下,无害微生物似乎不会像强毒性微生物那样受到中性粒细胞的攻击。需要更多研究来验证这一发现的生理学意义,并进一步拓展相关论证。同时,我们的研究结果为中性粒细胞的组织损伤信号最初为何会进化提供了理论依据:它是中性粒细胞对感染产生反应的初始触发因素。
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