Nature：外泌體能夠抵御細菌毒素，對抗超級細菌感染

來源：作者：人氣：-發表時間：2020-11-10 10:03:00【大中小】

耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（Methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA）又稱“超級細菌”，是1961年首先在英國發現的一類感染性革蘭氏陽性致病菌。最開始MRSA的傳播僅限于醫院內感染免疫缺陷患者等易感人群，目前MRSA已發展出社區傳播趨勢，導致健康非易感人群個體的感染甚至死亡。MRSA的危害性主要源于其能夠分泌成孔毒素破壞宿主的細胞膜結構，引起細胞膨脹和溶解，最終導致細胞功能喪失甚至壞死，給宿主帶來致命傷害。MRSA導致的嚴重感染是全球公共健康的巨大威脅，因此開發針對MRSA等嚴重病原菌的治療策略是目前亟待解決的科學問題。

近日，來自紐約大學朗格尼健康中心的Victor J. Torres和Ken Cadwell教授合作在Nature發表了題為“Decoy exosomes provide protection against bacterial toxins”的研究論文，該研究揭示了ATG蛋白能夠促進外泌體的釋放，進而在體外結合多種病原毒素，協助宿主抵御病原菌的感染。

先前有研究表明從小鼠中獲得的表達自噬蛋白Atg16l1的原代細胞，在α-毒素存在的情況下，金屬蛋白酶ADAM10總體表達水平增加且細胞更容易發生裂解。與之一致的是，作者發現，ATG16L1敲除后，人肺泡上皮細胞系A549的細胞表面以及總體ADAM10的表達水平均上升。用α-毒素處理ATG16L1敲除型細胞后，細胞死亡率上升，而ADAM10敲除型細胞則具有抵抗性。ATG16L1介導的磷脂酰乙醇胺與泛素樣分子LC3的結合對自噬體生物發生以及隨后的溶酶體降解底物必不可少。抑制ATG16L1的結合因子ULK1（ATG16L1或ATG5上游激酶），細胞表面的ADAM10水平與ATG16L1敲除型細胞的表達水平一致，均有增加。

用溶酶體酸化抑制劑處理A549細胞，改變內吞體至細胞膜的運輸循環后，總ADAM10以及自噬底物SQSTM1的表達水平增加，細胞表面的ADAM10表達水平則降低，而上皮細胞黏附分子（EpCAM）的膜表面ADAM10表達水平沒有改變，表明溶酶體抑制劑不能影響所有的細胞膜表面分子的表達，ADAM10表達水平改變與溶酶體途徑無關。同時，蛋白酶體抑制劑處理也不能影響ADAM10的表達水平。以上結果表明，ATG蛋白降低細胞表面ADAM10的表達水平是通過獨立于溶酶體以及蛋白酶體途徑進行的。

ATG蛋白可以通過分泌性自噬的方式介導可溶性以及囊泡結合底物的胞外釋放，ADAM10則通常能夠整合到外泌體——直徑為40 - 120nm的細胞外囊泡中。因此作者推測，ATG蛋白可以通過自噬途徑促進外泌體的釋放從而抑制ADAM10的積累。通過分離ATG16L1敲除型細胞培養上清中的外泌體，作者發現低分子量的ADAM10水平減少。通過免疫印跡、透射電鏡以及流式細胞分析表明ATG16L1敲除型細胞培養上清中，外泌體標志物CD9水平降低，外泌體中囊泡數量下降。

敲除自噬蛋白能顯著降低培養上清中外泌體的總數，而敲除ATG16L1則能夠降低ADAM10陽性的外泌體總數而非單個外泌體中ADAM10的含量。這些結果表明ATG蛋白能夠調控外泌體的生物發生，而非與底物的結合。隨后，作者敲除分泌性自噬途徑中介導自噬體-溶酶體融合的關鍵蛋白STX17，發現ADAM10的表面表達水平并沒有升高，而外泌體含量增加，表明ATG蛋白介導的外泌體釋放是通過一種不同于傳統自噬降解的方式進行。

為進一步探究病原與ATG依賴性外泌體產生之間的關系，作者以Heat-killed S. aureus(HKSA)、肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae）、鼠檸檬酸桿菌（Citrobacter rodentium）和鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella enterica Typhimurium）為研究對象，發現這些病原菌可以促進人和小鼠細胞中外泌體的產生，細菌的DNA和CpG DNA能夠作為外泌體的誘導物，且這一過程依賴于內吞DNA感應器——Toll樣受體9（TLR9）。通過抑制多泡體（MVB）的出芽來阻止囊泡與外泌體的轉換后，CpG DNA介導的外泌體產生過程受到了抑制。以上結果表明，TLR9下游的膜運輸可能是通過調控內吞體運輸和包括MVB在內的囊泡生物發生的方式，促進了外泌體的產生。

隨后，作者探究了釋放的囊泡是否能夠結合毒素并抑制毒性，發現外泌體、HKSA或CpG DNA均能夠保護宿主并抵抗α-毒素，且外泌體是通過在外泌體膜上誘導毒素的寡聚化從而保護細胞的。此外，作者還發現外泌體還能保護細胞并抵御白喉毒素，表明外泌體能夠中和多種類型的毒素。為探究外泌體在體內的保護作用，作者將HKSA注射小鼠以誘導外泌體在血液中產生，發現與Atg16l1敲除型小鼠來源的外泌體相比，野生型小鼠來源的外泌體顯著增加了感染S. aureus野生型小鼠的生存率，表明外泌體同樣能夠在體內條件下中和細菌毒素并抵御病原感染。

綜上所述，該研究為深入理解外泌體的功能提供了全新視角，揭示了外泌體在先天免疫反應中的新功能，即抵御病原菌感染，中和膜表面的成孔毒素等毒力因子，且ATG蛋白能夠在宿主防御病原感染時，促進外泌體的產生。鑒于胞外囊泡的起源和調控機制并未完全清楚，該研究對理解細胞響應感染并激發防御體產生的過程提供了更為詳盡的認知，并為開發新的針對病原菌感染的治療策略提供了潛在方案。