福氏志贺菌发展出泛素化降解GSDMB的策略来抵抗NK细胞的杀伤作用

撰文 | Qi

Gasdermin B（GSDMB）属于一个执行炎症细胞死亡程序的成孔细胞溶素大家族，有趣的是，它是人类六个gasdermin基因中唯一一个没有在啮齿类动物中发现的GSDM基因【1】。虽然遗传研究已将GSDMB多态性与包含哮喘、克罗恩病等人类疾病联系起来，但其在病原体免疫反应中的作用仍知之甚少，以及在细胞中形成溶孔的倾向也存在争议。

志贺氏菌属是一种人类肠侵袭性病原体，每年感染约1.65亿人并造成超过20万人死亡。其中，福氏志贺菌与巨噬细胞和结肠上皮细胞的多重相互作用助长了其致病生命周期，其穿过结肠粘膜屏障后被组织内的巨噬细胞吞噬。这些吞噬细胞经历inflammasome（炎性体）/caspase-1/GSDMD介导的细胞死亡，巨噬细胞溶解后会导致福氏志贺菌进入外环境再次入侵结肠上皮细胞，增加阻滞传播和疾病的严重性。需要注意的是，gasdermin家族成员也在多种其他组织和细胞类型中表达，那么问题是，细胞内病原体如何抑制作为细菌复制储库的宿主细胞中gasdermin的活性呢？

2021年5月21日，来自美国德克萨斯大学西南医学中心的Neal M. Alto团队在Cell杂志上发表了一篇题为Pathogenic ubiquitination of GSDMB inhibits NK cell bactericidal functions 的文章，这项研究报道了GSDMB和肠侵袭性福氏志贺菌分泌的IpaH7.8效应蛋白之间动态的宿主-病原体冲突，即IpaH7.8可以泛素化GSDMB被26S蛋白酶体降解。这种毒力策略通过抑制GZMA介导的GSDMB活化来保护志贺氏菌免受NK细胞的杀伤。需要注意的是，与大多数gasdermin家族成员的典型功能不同，GSDMB不通过溶解宿主细胞来抑制志贺氏菌。相反，它通过识别革兰氏阴性细菌膜上的磷脂而显示出直接的杀菌活性。因此，这些发现将GSDMB定位为细胞内杀菌的中央执行者，并揭示了病原体对抗宿主防御系统的机制。

福氏志贺菌的毒性需要Mxi-SpaⅢ型分泌系统（T3SS）的表达以及30多种效应蛋白进入宿主细胞，其中包括编码细菌E3泛素连接酶的ipaH基因【2】，虽然知道这些效应蛋白可以劫持宿主E1/E2泛素结合机制以翻译后修饰靶底物，但大多数ipaH基因的致病功能仍不清楚。首先，作者通过一种称为泛素激活相互作用陷阱（UBAITs）的技术【3】来鉴定细菌E3连接酶对应的宿主底物，发现只有IpaH7.8UBAIT能与GSDMB反应，但不与其他gasdermin家族成员结合。此外，IpaH7.8不识别GSDMB的C-末端自身抑制结构域（GSDMB-C），而GSDMB-N有助于两者的特异性结合，荧光显微镜下可以观察到GSDMB在感染福氏志贺菌的细胞中被清除，应用26S蛋白酶体抑制剂MG132可防止表达IpaH7.8细胞中GSDMB的丢失，进而证实IpaH7.8针对GSDMB进行泛素介导的蛋白质水解。

图1. 感染有无IpaH7.8的福氏志贺菌的细胞中GSDMB表达情况

如果反过来想，IpaH7.8特异性靶向GSDMB可能恰好表明，GSDMB可能在人类抵抗病原体的防御中发挥中心作用。考虑到GSDMB属于成孔细胞溶素大家族的一员，作者开发了一种体外活化系统，直接比较GSDMD的成孔活性和目前未鉴定的GSDMB的成孔活性。有趣的是，不同于GSDMD，GSDMB不能与接近哺乳动物细胞质膜的脂质体相互作用，那么细菌脂质是否可以作为结合底物呢？作者发现，GSDMB-N端可以与大肠杆菌极性提取物的单层脂质体结合，而全长的GSDMB或GSDMB-C端均不能结合。因此，GSDMB可以区分脂质的不同化学结构，且主要与革兰氏阴性菌的内膜上的心磷脂（CL）发生结合作用。需要注意的是，分裂活跃的细菌之间隔膜富含CL，因而更容易受到GSDMB成孔活性的影响。

先前的研究已经表明，GSDMB被granzyme A（GZMA）切割和激活（详见BioArt报道：邵峰组Science报道细胞毒性淋巴细胞诱导细胞焦亡的机制）【4】，GZMA是一种丝氨酸蛋白酶，由组织驻留的固有淋巴细胞（ILC）表达并传递到细菌或病毒感染的靶细胞【5】，由此推断，GZMA可能在体内激活GSDMB以应对细菌感染。作者将IL-2激活的NK细胞与未感染或感染的细胞共同培养，有趣的是，NK细胞未能在未感染的靶细胞中诱导GSDMB裂解出N端，而在感染福氏志贺菌的细胞中也未能检测到N端，相反，，当与NK细胞共培养时，在感染福氏志贺菌（Δipah7.8）的细胞中可以检测到N端。这些数据表明，GSDMB激活是对NK细胞识别病原体感染的细胞的直接响应，但这种激活会在感染福氏志贺菌的细胞中被ipah7.8抵消。

总的来说，这项研究表明人GSDMB能够作为一种抗菌溶细胞素，NK细胞可以通过GZMA激活感染了志贺菌的细胞中的GSDMB，裂解出N端从而发挥细菌膜上的成孔作用。然而，“道高一尺，魔高一丈”，福氏志贺菌已经发展出一种策略来对抗这种宿主防御机制。具体来说，细菌E3泛素连接酶IpaH7.8泛素化GSDMB用于26S蛋白酶体降解，从而保护福氏志贺菌免于NK细胞的杀伤。未来的研究将需要确定GSDMB所针对的细菌种类的广度，并确定人类病原体是否确实进化出机制来对抗先天免疫系统，如果真是这样，那么GZMA/GSDMB信号轴的激活可能是决定人类疾病被多种细菌病原体感染的关键因素。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.036

参考文献

1. Tamura, M., Tanaka, S., Fujii, T., Aoki, A., Komiyama, H., Ezawa, K., Sumiyama, K., Sagai, T., and Shiroishi, T. (2007). Members of a novel gene family, Gsdm, are expressed exclusively in the epithelium of the skin and gastrointestinal tract in a highly tissue-specific manner. Genomics 89, 618–629.

2. Schroeder, G.N., and Hilbi, H. (2008). Molecular pathogenesis of Shigella spp.: controlling host cell signaling, invasion, and death by type III secretion. Clin. Microbiol. Rev. 21, 134–156.

3. O’Connor, H.F., Lyon, N., Leung, J.W., Agarwal, P., Swaim, C.D., Miller, K.M., and Huibregtse, J.M. (2015). Ubiquitin-Activated Interaction Traps (UBAITs) identify E3 ligase binding partners. EMBO Rep. 16, 1699–1712.

4. Zhou, Z., He, H., Wang, K., Shi, X., Wang, Y., Su, Y., Wang, Y., Li, D., Liu, W., Zhang, Y., et al. (2020). Granzyme A from cytotoxic lymphocytes cleaves GSDMB to trigger pyroptosis in target cells. Science 368, eaaz7548.

5. Chowdhury, D., and Lieberman, J. (2008). Death by a thousand cuts: granzyme pathways of programmed cell death. Annu. Rev. Immunol. 26, 389–420.