军团杆菌感染宿主细胞的具体过程以及分子机制

　　军团杆菌（Legionella）导致以肺炎为主的感染，又被称为军团病。军团杆菌会对公众健康产生不利影响，根据美国疾病控制与预防中心估计，美国每年有8,000至18,000人因军团病住院。之所以称为军团病，是因为该疾病最早是1976年在美国费城召开退伍军人大会时暴发流行。军团杆菌通常出现在水生环境中，因此不洁净的饮用水可能会导致军团病的风险。大多数健康的人接触军团杆菌后并不引发感染，患病风险较高的人群是50岁以上、具有吸烟史、患有慢性肺部疾病、患有癌症等免疫系统较弱的人。军团杆菌将多种效应物转移到宿主细胞中，从而改变宿主细胞膜的运输，从而有利于细胞内病原体的宿生。

　　图1 军团杆菌（图源：Bing）

　　为了对该过程进行研究，美国德克萨斯西南医学中心Vincent S. Tagliabracci研究组在Science发文题为Dynamic remodeling of host membranes by self-organizing bacterial effectors，揭开了军团杆菌感染宿主细胞的具体过程以及分子机制。

　　细胞内的细菌病原体采用多种策略在宿主细胞内生存和增殖，其中包括对宿主细胞内膜系统的操纵。军团杆菌入侵宿主细胞的两个特征是通过磷脂酰肌醇转化对细胞膜转运进行重塑随后劫持宿主细胞的内质网膜，从而建立体包含军团杆菌的小泡（Legionella containing vacuole，LCV）。军团杆菌通过4型分泌系统（Type 4 secretion system，T4SS）将300多个效应蛋白转位到宿主细胞从而操纵宿主细胞，其中一些军团效应蛋白是磷酸肌醇激酶或磷酸酶。但是这些军团杆菌磷酸肌醇激酶和磷酸酶都没有已知的靶向内质网膜的序列和信号。

　　通过对军团杆菌4型分泌系统效应因子的分析，作者们鉴定发现蛋白激酶超家族的成员MavQ。为了对MavQ的分子功能进行分析，作者们进行MavQ（1-580）进行了晶体结构的解析，该区域包含了MavQ的非典型激酶结构域。激酶结构域中包含的催化口袋可以在ADP/Mg2+结合在活性位点后获得活性构象（图1）。通过系统生物学分析，作者们发现MavQ可能是磷酸肌醇激酶。通过体外的生化实验，作者们确认MavQ是能够对PI以及PI5P进行磷酸化的PI3K。

　　图2 MavQ（1-580）晶体构象解析

　　在对MavQ的身份进行分析后，作者们进一步对其在军团杆菌的感染过程中作用进行分析。通过荧光观察以及免疫胶体金电镜作者们发现，GFP标记的MavQ会定位在内质网膜上面形成非典型的囊-管结构（Vesicular-tubular structures），而且MavQ形成的这种囊-管结构与早期内体小泡蛋白标记物RAB5B存在显著的共定位，另外催化失活型MavQ主要表达在细胞质里而不会形成这种囊-管结构，说明这种特殊的囊-管结构的形成依赖于MavQ的激酶活性（图 3）。

　　图3 MavQ的囊-管结构

　　进一步地，作者们想知道MavQ如何能够靶向内质网并且驱动这种MavQ存在的囊-管结构的形成。通过序列分析和预测，作者们发现MavQ中包含一个非典型的内质网靶向FFAT基序。FFAT基序的突变会显著地降低MavQ的内质网靶向。作者们发现MavQ的囊-管结构可以与内质网进行融合。另外，作者们发现MavQ的C末端可以识别MavQ形成的囊-管结构并且其催化反应产物也可以促进与膜的连接。

　　生物系统的震荡过程中负反馈调节是必须的。MavQ作为PI3激酶，那么该系统中可能会在一个PI3的磷酸酶作为负反馈的调节因子对MavQ时空功能进行调控。在其中，作者们发现了PI3的磷酸酶SidP。SidP与MavQ之间存在功能上的联系。荧光标记的SidP与MavQ以及内质网共同定位，PI3磷酸酶与激酶活性形成的组成型负反馈与正反馈调节环路驱动MavQ蛋白动态变化以及MavQ诱导的膜动力学变化。进一步地，作者们发现在军团杆菌感染细胞宿主细胞的过程中，MavQ表现出的时空动态调控作用非常关键。为了进一步确认SidP与MavQ的生物学功能，作者们发现mavQ的催化失活型或者是sidP的删除型军团杆菌突变体对于宿主细胞的感染能力就会明显下降。因此，SidP与MavQ对于军团杆菌对真核宿主细胞的毒性是非常关键的。

　　图4 工作模型

　　总的来说，上述研究发现了一个非典型的军团杆菌PI3K MavQ会改变内质网中的磷酸肌醇，从而能够对内质网膜进行重塑（图4）。因此，细菌可以利用一种自组织的膜靶向机制来劫持宿主的细胞结构以促进生存，而这可能正是解决这一细菌感染的新思路。