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斑马鱼感染:从发病机制到细胞生物学

2018年06月28日 浏览量: 评论(0) 来源:Trends in Cell Biology Volume 28, Issue 2, February 2018, Pages 143-156 作者:李晓菲译 责任编辑:admin
摘要:宿主-病原体相互作用的研究为感染和细胞生物学研究奠定了基础。斑马鱼幼虫是遗传易驯的,具有光学可及性,并具有与哺乳动物相似的具有巨噬细胞和中性粒细胞的全功能先天免疫系统。使用斑马鱼模型研究了多种致病细菌,在体内对感染的细胞反应提供前所未有的分辨率。在这篇综述中,我们展示了斑马鱼模型如何通过提供一个体内平台来研究从单细胞到全动物水平的宿主-病原体相互作用,从而促进了我们对细胞微生物学的理解。我们还强调了斑马鱼感染的发现,为人类转化为新疗法提供了巨大的希望。
简介:宿主-病原体相互作用的研究为感染和细胞生物学研究奠定了基础。斑马鱼幼虫是遗传易驯的,具有光学可及性,并具有与哺乳动物相似的具有巨噬细胞和中性粒细胞的全功能先天免疫系统。使用斑马鱼模型研究了多种致病细菌,在体内对感染的细胞反应提供前所未有的分辨率。在这篇综述中,我们展示了斑马鱼模型如何通过提供一个体内平台来研究从单细胞到全动物水平的宿主-病原体相互作用,从而促进了我们对细胞微生物学的理解。我们还强调了斑马鱼感染的发现,为人类转化为新疗法提供了巨大的希望。
 
关键词:自噬  细菌感染  细胞微生物学  炎症  先天免疫  斑马鱼
 
细胞生物学:斑马鱼胚胎的透明性在近一个世纪前引起了发展生物学家的注意。斑马鱼胚胎发生迅速,子宫外,并适合于非侵入性活体成像和体内纵向分析。在20世纪80年代,斑马鱼的研究因其遗传和化学可追踪性而爆炸,这是脊椎动物模型前所未有的特征。光学可及性和遗传易性的结合使研究人员能够为高分辨率荧光显微镜标记蛋白质和细胞类型。斑马鱼也能通过过度表达、短暂耗尽或基因组编辑来表征基因功能。容易获得数百个胚胎,结合沐浴液暴露的药物治疗的可能性,允许高通量分析,以前仅适用于组织培养细胞或无脊椎动物物种的特征。斑马鱼基因组已被完全测序,突出了与人类的显著相似性。至少70%的人类编码基因组,包括与疾病相关的基因,在斑马鱼中具有直接同源基因。从受精后22小时(HPF)发育的胚胎中出现的原始巨噬细胞。这些细胞模仿保护哺乳动物胚胎的原始巨噬细胞,并观察到清除静脉注射革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌。从大约36 HPF,原始中性粒细胞出现,并与巨噬细胞协同作用,用于宿主防御。由于先天免疫细胞的早期出现和通过显微注射进行局部和全身感染的能力,已经建立了许多细菌,病毒和真菌病原体斑马鱼感染模型。感染斑马鱼幼虫的细菌病原体显着提高了我们的发病机制和细胞生物学的理解。
 
鼠伤寒沙门氏菌:新陈代谢与炎症之间的新联系:鼠伤寒沙门菌是引起胃肠炎和肠黏膜炎症的重要人兽共患病病原体。鼠伤寒沙门氏菌在斑马鱼中的注射导致鼠伤寒沙门菌和伤寒沙门菌引起的伤寒样疾病。炎症是沙门氏菌致病的一个关键决定因素,然而,在感染过程中调节炎症的分子机制尚不完全清楚。新的研究报道,斑马鱼鸟苷酸结合蛋白4(gbp4)通过激活中性粒细胞的炎性体来清除鼠伤寒沙门氏菌。在这种情况下,中性粒细胞通过局部释放白三烯B4,被吸入到感染的组织中,这是与中性粒细胞趋化性的C-X-C基序趋化因子配体8(CXCL8)协同作用的。招募的中性粒细胞吞噬沙门氏菌并激活GBP4炎性体,调节胞浆磷脂酶A2的活性和前列腺素的产生,支持感染的清除。炎性体的激活可用于治疗细菌性疾病,并显示中性粒细胞在体内调节这种反应的重要作用。氧化磷酸化过程中线粒体内产生的活性氧(ROS)是杀死细胞内细菌病原体的关键。免疫应答基因1(Irg1)编码的线粒体定位酶在斑马鱼沙门氏菌感染过程中在巨噬细胞中诱导。巨噬细胞中Irg1的耗尽阻止了脂肪酸氧化磷酸化的能力,显著降低了线粒体衍生活性氧的产生和杀菌活性。其中Irg1诱导调节线粒体呼吸并导致代谢变化影响炎症介质和巨噬细胞效应器的产生。这些发现揭示了代谢重编程与免疫效应的产生之间的新联系,突出了新陈代谢在宿主防御中的重要作用。考虑到中性粒细胞是宿主防御的关键,但通常是短暂的,需要在感染期间消耗中性粒细胞补充紧急粒细胞生成。使用沙门氏菌-斑马鱼感染模型,已经表明在感染过程中增加的中性粒细胞产生是造血干细胞和祖细胞(HSPC)扩张的直接结果。这种扩张依赖于巨噬细胞产生粒细胞集落刺激因子(G-CSF),HSPC通过上调诱导型一氧化氮合酶(iNOS)来响应。iNOS调节尿素循环产生NO,这是激活HSPC增殖的多效性信号调节剂。CCAAT/增强子结合蛋白β(C/EBPβ)促进iNOS的诱导,转录因子也参与哺乳动物G-CSF依赖性粒细胞生成。这些结果描述了一种新的HSPC对感染的反应,并揭示了信号通路,这可以被用来对抗感染和炎性应激。斑马鱼沙门氏菌感染是发现细胞自主免疫、免疫代谢和紧急粒细胞生成的新概念的关键。此外,这些研究揭示了创新治疗干预的基本先天免疫途径,与多种细菌感染相关。
 
志贺氏菌:一种研究体内炎症的多因素感染模型:志贺氏菌是人类致病性大肠杆菌引起胃肠道感染和细菌性痢疾,一种以出血性腹泻为特征的疾病。可以使用斑马鱼检查志贺氏菌感染过程中的各种步骤。当注射到斑马鱼中时,志贺氏菌可侵入上皮细胞并诱导人志贺氏菌病的标志物,包括炎症和巨噬细胞死亡。志贺氏菌对斑马鱼的感染严格依赖于3型分泌系统(T3SS),这是人类疾病必不可少的细菌决定因素。中性粒细胞对宿主防御志贺氏菌很重要,如从组织培养细胞和斑马鱼的感染中观察到的,噬细胞和濒危细胞无法控制感染。细胞内志贺氏菌可以逃逸到细胞质中,并以自噬为目标。为了限制细菌复制,靶向自噬的肌动蛋白聚合细菌被困。在整个动物水平上,自噬的耗尽或刺激都导致细菌负担增加和宿主对感染的易感性。与在细胞生物学中自噬的作用广度一致,并且最近的文献利用小鼠研究细菌自噬,这些结果表明需要在体内仔细控制自噬以防止细菌感染。志贺氏菌-斑马鱼感染模型有助于发现细胞骨架在细胞免疫中的新作用。。斑马鱼septin与志贺氏菌诱导的炎症反应有关.志贺菌感染时SEPT15(哺乳动物SEBT7的斑马鱼直系同源物,对SEPITN功能至关重要)的消耗导致Caspase 1和宿主细胞死亡的显著增加,导致严重的中性粒细胞减少和斑马鱼死亡。志贺氏菌诱导的炎症和SEPT15缺乏症可以通过阻断AIKNRRA(阻断白细胞介素-1β(IL-1β)信号转导的抗炎药物)来抵消。septin是重要的,以限制体内炎症信号,并建议AAKNRA可以用来作为一种治疗,以限制感染过程中炎症。斑马鱼在研究志贺氏菌感染方面的应用为我们了解自噬和炎症提供了基础性进展,并首次研究了体内细菌-捕食-食饵相互作用的细胞生物学。
 
绿脓杆菌; 与临床相关的致病机制:绿脓杆菌是一种机会性细菌,通常感染囊性纤维化(CF)患者的肺部。 在这里,吞噬细胞无法清除气道有助于建立持续性感染。斑马鱼对假单胞菌有较强的抗性,需要大量的菌种来建立感染和寄主。与人类一样,吞噬细胞的消耗可显著增加幼虫对铜绿假单胞菌的敏感性。巨噬细胞和中性粒细胞都能迅速吞噬并杀死全身递送的细菌。T3SS突变体在野生型或吞噬细胞耗尽的宿主中被减弱或毒性,表明免疫活性宿主中的假单胞菌发病是由T3SS -吞噬细胞相互作用介导的。与此一致的是,假单胞菌T3SS突变体在巨噬细胞和中性粒细胞都存在的发育阶段被减弱,然而,只有在巨噬细胞开始出现的早期阶段才是致命的。SADC和WARA突变体在斑马鱼感染期间减弱,因为中性粒细胞对突变细菌的募集显著增加。这些结果证明了在体内介导免疫逃避的LPS的SADC/WARA修饰的新功能。总而言之,斑马鱼有助于阐明致病假单胞菌感染的发病机制,并作为揭示先天免疫需要的细菌效应器的平台。
 
单核细胞增生李斯特氏菌:了解宿主防御胞浆菌的新进展:单核细胞增生李斯特菌是一种食源性病原体,在感染的人中引起多种症状,从发热到危及生命的败血症。李斯特菌的两个主要毒力因子包括:Listelioixin O(LLO),一种能从内化液泡逃逸的孔形成毒素,和ActA,一种模拟肌动蛋白成核因子WASP的细菌,它聚合肌动蛋白尾部以逃避细胞免疫。斑马鱼的注射表明,血液传播的李斯特菌被巨噬细胞和中性粒细胞迅速吞噬。在斑马鱼中可以观察到LLO依赖的液泡逃逸和ActA依赖的肌动蛋白尾形成,其中LLO和ACTA突变体被衰减。总的来说,斑马鱼的感染有助于突出单核细胞增生李斯特菌作为细胞内微生物学和细菌-吞噬细胞相互作用的研究范例。使用斑马鱼李斯特菌感染将阐明宿主防御胞质细菌的基本方面。
 
金黄色葡萄球菌:金黄色葡萄球菌是人体皮肤和粘膜菌群中常见的一种,但在住院治疗中会引起多种并发症,包括脓肿、肺炎和败血症。在斑马鱼血液中注射细菌也可观察到金黄色葡萄球菌引起的脓肿和败血症。金黄色葡萄球菌被视为胞外病原体,然而,使用金黄色葡萄球菌-斑马鱼感染模型的研究揭示了金黄色葡萄球菌在体内的重要生命周期。在斑马鱼全身感染时,巨噬细胞和中性粒细胞清除了大量注射的金黄色葡萄球菌,但很少有逃避吞噬细胞死亡的持久性者仍然存活和复制。斑马鱼金黄色葡萄球菌感染揭示了抗金黄色葡萄球菌免疫的进化保守成分,以及细菌持久性的基本机制。这些结果对新的治疗策略的设计具有广泛的影响,其可以有效地限制疾病结果和抗药性菌株的选择。
 
脓肿分枝杆菌:脓肿分枝杆菌复合物是一组快速生长的分枝杆菌,通常与创伤后脓毒症和易感染宿主感染有关。治疗是有挑战性的,部分是因为脓肿分枝杆菌对许多抗生素具有耐药性。脓肿分枝杆菌可以从平滑的S型形态表达细胞表面糖肽转运到粗糙的(R)形态型,缺乏糖肽类,临床上更具毒性。
 
结论:已经说明了斑马鱼细菌感染模型如何揭示感染生物学的关键方面,并在了解细胞免疫生物学方面提供了基础性的进展。利用斑马鱼进行宿主-病原体相互作用的研究将继续阐明在脊椎动物(包括人类)中细菌感染的复杂性。
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