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揭开衣原体感染期间调动宿主细胞微管和肌动蛋白背后的机制

  

衣原体是一种介于细菌和病毒之间、严格细胞内生长的病原微生物,具有一套复杂的机制以在其感染性包涵体中生存。沙眼衣原体是常见的性传播疾病的罪魁祸首之一,也是造成常见的感染性失明——沙眼——的原因。这种性传播病原体给全球带来了健康和经济负担。沙眼衣原体有独特的双相生活方式。其感染形式称为原体(EB,elementary body)代谢活性最小,一旦进入宿主细胞,原体在被称为包涵体的膜结合腔中迅速分化为其复制形式网状体(reticulate body,RB),具有代谢活性和非感染性。当网状体通过二元裂变进行复制时,它们合成效应蛋白,重组并劫持宿主细胞以促进其生存,破坏宿主细胞环境,包括宿主细胞骨架——而这正是衣原体成功感染和传播的关键因素衣原体感染和致病能力依赖于维持包涵体。衣原体能够建立一个广泛的微管(MTs)和肌动蛋白细丝网,使之能够与宿主细胞器相互作用,并提高其稳定性。但肌动蛋白和微管支架是如何建立的仍有待研究。

肌动蛋白(Actin)和微管蛋白(tubulin)是真核细胞中最丰富的蛋白质,参与细胞器的定位和功能。它们共同构成了细胞骨架中最关键的组成部分:肌动蛋白丝和微管(MTs)。细胞蛋白调节各种细胞骨架元素的结构、动力学和功能,进而参与调节依赖于细胞骨架的基本生物过程。因此这些细胞骨架的调节成分往往是细胞内细菌病原体的重要靶点。

最初通过附着在质膜上,通过衣原体Ⅲ型分泌系统将衣原体蛋白Tarp(易位肌动蛋白募集蛋白)注入宿主细胞质,侵入宿主细胞。Tarp在细胞质中的磷酸化使Tarp能够招募鸟嘌呤核苷酸交换因子(GEFs)Sos1和Vav2,从而激活Rac1。Tarp直接结合肌动蛋白单体形成新的线状纤维,随后,Arp2/3复合物被激活,支链肌动蛋白细丝在细菌结合位点下方聚合,促进原进入新生包涵体。

第二波的细胞骨架操作开始于感染后16小时,当微管在包涵体周围组装时,这些支架随后被稳定化并进行翻译后修饰(PTM),包括去酪氨酸酶和乙酰化。翻译后修饰影响微管的结构和解聚速率,进一步提高其稳定性。此前的研究已经确定小GTPase ARF1控制着微管支架的翻译后修饰。然后,PTM-MT支架将高尔基体定位在包涵体周围,从而提供脂质体以促进包涵体的快速扩张。感染后32小时,肌动蛋白支架在包涵体周围形成。这些结构在物理上加强包涵体膜以防止过早溶解,因为包涵体扩张到占据宿主细胞质的大部分。利用肌动蛋白解聚剂和小干扰RNA(siRNA),发现F-肌动蛋白的形成是RhoA依赖的。

最后,衣原体通过控制细胞裂解或挤压的方式离开宿主细胞,这也依赖于宿主细胞骨架的干预。挤压是一个非裂解过程,在此过程中包涵体从受感染的细胞中伸出,然后断开质膜。这个事件需要动员RhoA、WASP和肌球蛋白II。有趣的是,用诺可达唑解聚微管并不影响挤出,这表明这是肌动蛋白特异性的.

对宿主细胞骨架的干扰会显著影响衣原体感染。抑制PTM-MT支架会减弱衣原体感染性,而增强支架则增加其感染性,证明了这种细胞骨架元素在衣原体发育过程的作用。用latrunculin对肌动蛋白聚合的整体抑制也会导致包涵体的早期破裂,这表明肌动蛋白对维持包涵体稳定性至关重要。包涵体的稳定性取决于肌动蛋白,因为微管解聚不影响包含体的完整性。

早期对衣原体的研究由于其对细胞骨架调节药物的依赖性而受到显著限制。这些药物破坏宿主细胞骨架的整体,并经常间接影响其他细胞骨架元素。因此,阐明衣原体感染过程中肌动蛋白和微管支架的精确局部作用一直是个挑战。遗传学技术的进步使得定向破坏衣原体的毒力效应蛋白而不间接影响宿主的自然过程已经可行。由此发现了一个单一的衣原体效应器,InaC(也称为CT813或CTL0184)控制着运动和功能上不同的肌动蛋白和PTM-MT支架的形成。InaC敲除(KO)衣原体产生较低感染性的后代和产生更小的内含物,表明衣原体的完整性依赖于InaC途径。InaC直接与宿主的小GTPases ARF1和ARF4相互作用,控制PTM-MTs的形成,从而在感染过程中控制包涵体周围高尔基体的分布。

这项研究证明衣原体效应器InaC 激活宿主的Ras同源家族成员A (RhoA)来控制包涵体周围肌动蛋白支架的形成,这对包涵体的稳定性至关重要。InaC通过调节控制细胞骨架元素的ADP核糖基化因子1(ARF1)和RhoA之间的交互,来指导肌动蛋白和翻译后修饰微管支架的动力学。其中RhoA的存在下调了ARF1的激活,而ARF1-GTP抑制了RhoA的激活,这突出了两个GTPase在衣原体感染期间协调PTM-MT和肌动蛋白支架之间的交互。虽然RhoA可以在不含InaC的情况下被招募到包涵体中,但它的激活(导致肌动蛋白支架的形成)需要InaC。总的来说,研究证实了一个单一的衣原体效应器,InaC,是衣原体感染期间肌动蛋白和微管动力学的主要调节器这项研究提供了第一个证据表明由衣原体效应器InaC影响ARF1-RhoA的交互来操纵宿主细胞骨架。


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