陳蘭芬組在《Nature Communications》上揭示宿主感染過程中巨噬細胞如何維持病原殺傷ROS的產(chǎn)生和消除平衡以防止自身氧化損傷和衰老的重要機制
先天免疫系統(tǒng)在防止病原生物入侵宿主方面起著重要作用。當病原體侵入機體后，以巨噬細胞為代表的吞噬細胞立即響應，識別并吞噬病原體并調(diào)動NADPH氧化酶體和線粒體向吞噬泡內(nèi)釋放大量活性氧簇（ROS）以實現(xiàn)對病原體的殺滅和清除。在此過程中，巨噬細胞如何維持ROS的產(chǎn)生和消除之間的平衡以實現(xiàn)清除病原體的同時還能防止ROS導致自身損傷和衰老就顯得尤為關(guān)鍵。
2月14日，細胞應激生物學國家重點實驗室、細胞信號網(wǎng)絡協(xié)同創(chuàng)新中心、廈門大學生命科學學院陳蘭芬教授課題組在《Nature Communications》上發(fā)表了題為“Macrophage achieves self-protection against oxidative stress-induced ageing through the Mst-Nrf2 axis”的研究論文，揭示了巨噬細胞中的Hippo激酶Mst1/2能夠感應ROS并募集到自吞噬體和線粒體的ROS產(chǎn)生部位并被釋放的ROS活化，進而激活抗氧化轉(zhuǎn)錄因子Nrf2來維持胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)，從而在巨噬細胞對病原體清除期間保護細胞免受氧化損傷導致衰老與死亡的重要機制。
本項研究發(fā)現(xiàn)，與野生型巨噬細胞相比，Mst1/2缺失的巨噬細胞的本底ROS水平較高，持續(xù)性氧化應激造成DNA損傷和細胞凋亡，而抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸（NAC）處理可以顯著緩解Mst1/2敲除的巨噬細胞的氧化應激表型。此外，在老年小鼠中，Mst1/2缺失的巨噬細胞更早出現(xiàn)免疫應答功能和抗感染能力下降、胞內(nèi)脂褐素的積累更為顯著以及端粒長度更短等早衰現(xiàn)象，導致巨噬細胞病原清除能力下降，容易造成機體的病原感染。這些結(jié)果表明Mst1/2激酶可能在巨噬細胞ROS穩(wěn)態(tài)維持和抗衰老中發(fā)揮重要作用。進一步分析氧化應激相關(guān)的幾個轉(zhuǎn)錄因子后，發(fā)現(xiàn)與T細胞或B細胞相比，Nrf2在巨噬細胞中高表達，并且與野生型相比，Mst1/2敲除的巨噬細胞中多個Nrf2下游靶基因表達顯著降低。深入研究發(fā)現(xiàn)Mst1/2缺失的巨噬細胞中Nrf2泛素化水平明顯上升，蛋白水平顯著降低。利用病毒載體回補Nrf2明顯緩解Mst1/2缺失的巨噬細胞內(nèi)ROS水平、DNA損傷和細胞凋亡比例，證實了在巨噬細胞中抗氧化因子Nrf2是Hippo激酶下游的關(guān)鍵分子。
圖1.Mst1/2可以感受ROS并募集到自吞噬體（左邊）和線粒體（右邊）的ROS產(chǎn)生部位，被釋放的ROS激活
該課題組機制研究發(fā)現(xiàn)激酶Mst1/2可以感受ROS并募集到自吞噬體和線粒體的ROS產(chǎn)生部位，被釋放的ROS激活，活化的Mst1/2調(diào)節(jié)抗氧化轉(zhuǎn)錄因子Nrf2來維持胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)，在病原體清除期間保護細胞免受大量殺傷性ROS誘導的氧化損傷。Nrf2受到負性調(diào)節(jié)蛋白Keap1的精確調(diào)控，多聚化的Keap1能通過C端Kelch結(jié)構(gòu)域錨定Nrf2并促使其走向蛋白酶體依賴性降解，從而抑制其轉(zhuǎn)錄活性。本項目研究人員觀察到Keap1也能夠響應大腸桿菌侵染與Mst1/2在大腸桿菌侵染部位形成三者共定位，而這一現(xiàn)象在使用NAC預處理后明顯減少。進一步研究還發(fā)現(xiàn)Mst1/2激酶可直接結(jié)合Keap1，并對Keap1的四個位點的進行磷酸化修飾，Mst1/2介導的Keap1磷酸化阻止了Keap1分子的多聚化，從而阻斷了Nrf2的泛素化和蛋白降解。而當Keap1分子中的四個位點突變?yōu)?/span>Mst1/2激酶持續(xù)失活形態(tài)的Keap14A時，更易形成多聚化Keap1，增加了Nrf2的泛素化水平和蛋白不穩(wěn)定性，從而造成細胞氧化損傷。因此本研究揭示了在巨噬細胞參與宿主防御過程中存在的一條新穎的抗氧化和抗衰老信號，闡明了Mst1/2參與調(diào)節(jié)巨噬細胞維持氧化應激穩(wěn)態(tài)以實現(xiàn)清除病原體的同時還能避免ROS誘導的自身損傷和細胞衰老的關(guān)鍵機制，為進一步研究氧化應激是如何促進衰老相關(guān)炎癥和感染的發(fā)生和發(fā)展提供可能的理論基礎。
圖2. Hippo通路調(diào)控巨噬細胞病原殺傷ROS產(chǎn)生及抗氧化衰老中發(fā)揮重要作用。左圖：揭示了巨噬細胞內(nèi)Hippo激酶Mst1/2調(diào)控線粒體遷移及促進其向吞噬小泡募集與吞噬體協(xié)同產(chǎn)生大量殺傷性ROS，清除病原體的功能和機制?(Nature Immunol, 2015，封面文章) ；右圖：發(fā)現(xiàn)Hippo激酶Mst1/2能感應胞內(nèi)ROS并募集到ROS釋放的細胞器附近并被活化，進一步激活和穩(wěn)定抗氧化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子Nrf2, 實現(xiàn)巨噬細胞在殺傷病原同時能自身抗氧化損傷與衰老的重要機制?(Nature Commun, 2019) 。
陳蘭芬教授團隊長期致力于Hippo信號通路在免疫系統(tǒng)中的功能機制研究。該團隊于2015年在《Nature Immunology》雜志以封面故事闡明了吞噬性細胞內(nèi)激酶Mst1/2通過活化Rac家族蛋白來調(diào)節(jié)線粒體向吞噬小泡募集并釋放ROS來清除病原體，這個生物學過程在天然免疫和宿主防御中發(fā)揮著重要作用。2017年，該團隊再次在《Nature Immunology》雜志以封面故事闡釋了Hippo通路轉(zhuǎn)錄共激活因子TAZ在決定CD4+初始T細胞分化為促進炎癥的TH17效應細胞和抑制免疫反應的Treg調(diào)節(jié)性細胞過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，揭示了TAZ在調(diào)節(jié)自身性免疫疾病發(fā)生發(fā)展中的重要功能。
廈門大學生命科學學院博士生王平和博士后耿晶為論文共同第一作者，通訊作者為陳蘭芬教授。該研究工作獲得了國家自然科學基金、國家重點基礎研究重大專項等資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-08680-6
（生命科學學院）?
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