Cell | 分枝杆菌效应因子的祖先变体促进感染转移

2022-12-25 15:27:20, 一只鱼

撰文 | 一只鱼

结核分枝杆菌（Mtb）是结核病（TB）的致病菌，TB主要是肺部疾病，但也有部分病例表现出肺部以外的症状。结核杆菌可以劫持宿主的巨噬细胞，巨噬细胞既是其主要的复制场所，也可以帮助其转移到组织内或组织外的其他位置，但是具体机制仍不清楚。

近日，来自美国杜克大学的David M. Tobin、Jason E. Stout和Sunhee Lee研究团队在Cell上发表题为An ancestral mycobacterial effector promotes dissemination of infection的文章，发现一次具有不寻常的高肺部外转移和骨疾病概率的结核分枝杆菌爆发，其致病株系携带了一个VII型分泌效应因子EsxM的祖先全长变体，这一EsxM祖先变体通过加强巨噬细胞迁移能力，促进其从成型的肉芽肿中外出，改变其肌动蛋白动态，来加速传播，并且在结核分枝杆菌的现代株系中重构EsxM祖先变体可以改变被感染的巨噬细胞的迁移模式，加强其迁移能力。

研究人员调查了一次具有极高转移和骨疾病概率的结核病爆发，其指示病例是一个来自越南的男人，具有一年以上的症状，被诊断为肺结核，并传染了七个二代病例，其中六个都表现为肺部外疾病，比例达到86%，其中四个具有骨疾病，比例为57%（而美国的报告病例中具有骨疾病的比例只有2%）。此外，四个具有骨疾病的患者中有两个具有单位点脊柱病变，而另外两个具有扩散性骨病变，包括肋骨、肩胛骨、髂嵴、脊柱和胸骨。

现存的结核分枝杆菌株系通常通过谱系分类，包括所谓的祖先株系（L1、L5-L7）和现代株系（L2-L4），现代株系是美洲、欧洲和部分非洲和亚洲最流行的株系。虽然L1是世界病例感染的主要株系，但是它的地理位置相对局限在印度洋边界区域。

他们通过基因组测序以及分析，构建系统进化树，将这次爆发的株系归类为L1祖先株系，并且他们发现在所有祖先株系的编码分泌效应因子EsxM的基因存在一个祖先变体。

与其他的VII型分泌基因座一样，ESX-5基因座串联编码两个小Esx蛋白。esxM位于ESX-5基因座中，是一个约100氨基酸的WXG-100基因家族成员，之前被认为是一个假基因，因为它有一个提前的终止密码子，导致蛋白截短了约40%，但是他们发现，结核杆菌祖先株系不携带该提前终止密码子，而是包含其完整的开放阅读框。进一步，他们发现其他关系较近的分枝杆菌，如牛分枝杆菌、鸟分枝杆菌和海洋分枝杆菌，都携带这一变体。因此，他们认为该全长EsxM变体是原始存在的，而结核分枝杆菌现代株系中的提前终止变体则是后来演化出现的。

然后他们通过数据库分析，发现L1株系感染与骨疾病相关。进一步，他们分析了海洋分枝杆菌和结核分枝杆菌，发现在液体培养时，EsxM表达量虽然很高，但并不是最高的，其他EsxM类似基因转录水平更高，但是在感染斑马鱼或小鼠后，EsxM表达显著上调，使得在同源基因中，EsxM表达水平占主导地位。

接下来他们利用海洋分枝杆菌在斑马鱼上开展实验，发现esxM突变会减少感染转移到其他位置。肉芽肿是由巨噬细胞聚集形成的，每个肉芽肿中的巨噬细胞仅包含一种细菌株系，他们发现esxM缺失细菌感染的巨噬细胞从肉芽肿中离开的概率显著降低，而表达全长EsxM的巨噬细胞迁移速度更快。

然后他们构建了一系列转基因斑马鱼，在其巨噬细胞中特异性表达细菌EsxM，发现在尾部横切之后，表达EsxM的巨噬细胞到达伤口部位更快，且数量更多，最大迁移速率也更快，而表达现代株系中截短形式的EsxM的巨噬细胞则与对照没有显著差异。

进一步，他们在结核分枝杆菌现代株系L4中重构祖先全长esxM变体，发现可以加强被感染的巨噬细胞的迁移能力，并且斑马鱼实验结果表明，esxM祖先变体可以促进感染转移到骨。