科研进展
Nature Communications丨酒亚明课题组揭示沙门氏菌毒力因子SopB挟持宿主细胞中间丝促进细菌复制
发表日期： 2023-01-31
近日，研究所酒亚明课题组在Nature Communications发表了题为Salmonella effector SopB reorganizes cytoskeletal vimentin to maintain replication vacuoles for efficient infection的文章，该研究利用多种显微成像、组学分析和高通量药物筛选等技术，首次阐述了沙门氏菌利用宿主细胞的中间丝vimentin保护其用于增殖的复制泡，进而促进细菌感染的功能和分子机理。更重要的是，筛选并在细胞和动物水平鉴定出了临床小分子药物可通过调控vimentin的动态重构抑制沙门氏菌感染。
腹泻病是一种常见胃肠道疾病，每年有5.5亿人患病，23万人死亡。而沙门氏菌（Salmonella）作为一种常见的人畜共患病原菌，是导致腹泻病最常见的致病菌之一。随着抗生素的滥用，沙门氏菌的耐药现象日益严重，随着时间的推移，其耐药率正在大幅上升，耐药谱也在不断增宽。近期研究发现沙门氏菌中出现多达36处突变基因，对包括头孢霉素、青霉素、四环素等在内的14种抗生素产生不同程度的耐药性[1]，由传统抗生素构建的抗菌防线正面临失效的可能，这将给全球养殖业和人类健康带来严重威胁。因此，从宿主细胞的角度研究其对细菌感染的调控机制，以宿主细胞蛋白为新的抗感染靶点，将对沙门氏菌特别是耐药株感染的临床治疗和药物研发提供新的思路和线索。
Vimentin作为一种重要的细胞骨架中间丝蛋白，在不同种属间具有高度保守性。在正常生理状态下，vimentin 对维持细胞完整性具有重要作用。而在不同病理状态下，vimentin 显现出复杂的生物学功能，它不仅参与细胞形变、运动和细胞器锚定等，还在肿瘤侵袭转移、病原体感染、自身免疫及创伤过程中发挥重要功能[2-5]，特别是其在病原体感染过程中的作用，近年来引发越来越多的研究者重视。
Vimentin在多种病原体感染过程中扮演了重要角色。酒亚明课题组围绕vimentin对病原感染的动态应答及其在感染过程中的调控功能发表了系列工作。包括，发现vimentin在寨卡病毒感染中发挥物理空间支撑与生物功能调控的双重作用（Zhang et al., PNAS 2022）；回顾性提炼vimentin在不同病毒的入侵、转运、复制、组装和释放等不同环节中发挥关键功能的规律（Zhang et al., Journal of Cell Science 2020）；总结不同表达形式的vimentin参与细菌感染，包括介导细菌入侵和转移、调控细菌感染的免疫反应等（Miao et al., Journal of Cell Science 2023）；发现vimentin通过影响细胞的迁移模式调控迁移体的生成过程（Fan et al., Journal of Cell Biology 2022）。
以此为基础，本研究中酒亚明组首先利用共聚焦显微镜、活细胞实时观察、三维重建等生物成像和分析技术，观察到：沙门氏菌的感染诱导宿主细胞骨架中间丝蛋白vimentin聚集在沙门氏菌复制场所—含沙门氏菌复制泡（Salmonella-containing vacuole, SCV [6-7]）周围；缺失vimentin使SCV分散在胞质中，且沙门氏菌在宿主细胞中的复制受到明显抑制；回补vimentin后SCV的形态及沙门氏菌的复制均得到恢复。这些结果表明重构的vimentin通过维持SCV形态促进了沙门氏菌的复制。那么沙门氏菌是如何诱导宿主蛋白vimentin的重构呢？
利用免疫共沉淀联合质谱分析，研究人员发现沙门氏菌的三型分泌系统（Type III Secretion System, T3SS）效应蛋白SopB与vimentin相互作用且诱导其发生重构。进一步的研究表明，SopB N端的Cdc42结合功能域通过结合并激活Cdc42，诱导vimentin的重构，进而促进沙门氏菌的复制。与此同时，基于高内涵成像系统的高通量药物筛选以及蛋白活性检测结果表明，沙门氏菌效应蛋白SopB激活MEK1/2进而诱导vimentin重构。进一步的上下游实验结果表明，沙门氏菌利用SopB-Cdc42-MEK1/2这一信号轴诱导vimentin重构进而促进细菌在宿主细胞中复制（图1）。更重要的是，研究人员发现通过高通量药物筛选得到的小分子临床药物不管是在细胞水平还是动物体内，均具有显著的抗沙门氏菌感染作用（图1）。
本研究揭示了沙门氏菌复制的决定性机制，以及细菌和宿主细胞骨架之间新的相互作用机制，对沙门氏菌特别是耐药株感染的临床治疗和药物研发提供新的思路和线索。
图1. 沙门氏菌利用SopB-Cdc42-MEK1/2信号轴诱导vimentin重构进而促进细菌在宿主细胞中复制，高通量药物筛选得到的小分子药物具有显著的体内、外抗沙门氏菌感染作用。
研究所与广州市妇女儿童医疗中心联合培养博士后赵双双、研究所博士后徐秋平、广州市妇女儿童医疗中心崔彦芹教授为该文章第一作者；酒亚明研究员、唐宏研究员、同济大学魏柯教授为该文章的共同通讯作者；该研究也得到了研究所Philippe Sansonetti研究员和晁彦杰研究员、清华大学梁鑫教授、天津商学院阮海华教授的支持和帮助。
【实验室简介】
酒亚明课题组一直围绕细胞骨架调控肿瘤转移和病原体感染这两大类疾病研究，优化并融合了一系列先进光学成像技术和病毒细菌感染实验体系，从细胞骨架、信号转导和病原体宿主互作等多个角度，深入解析了细胞骨架与疾病的分子机理，旨在为癌症以及相关感染性疾病的精准治疗提供新理论、药物靶点和治疗策略。酒亚明研究员围绕上述工作取得一系列重要原创性成果，发表高水平SCI学术论文40余篇，近期研究成果以通讯作者在Nature Communications, PNAS, Journal of Cell Biology, Current Biology等高水平杂志发表。作为一支朝气蓬勃、高效干练、团结协作的科研团队，课题组热忱欢迎优秀的博士后、博士及研究生联系加入！联系方式：ymjiu@ips.ac.cn。
【参考文献】
1. Strouhalova K, P？echov M, Gandalovi？ov A, Br bek J, Gregor M, Rosel D. Vimentin Intermediate Filaments as Potential Target for Cancer Treatment. Cancers (Basel). 2020;12(1):184.
2. Kumar A, Kumar A. Antibiotic resistome of Salmonella typhi: molecular determinants for the emergence of drug resistance. Front Med. 2021;15(5):693-703.
3. Danielsson F, Peterson MK, Caldeira Ara jo H, Lautenschl？ger F, Gad AKB. Vimentin Diversity in Health and Disease. Cells. 2018;7(10):147.
4. Ramos I, Stamatakis K, Oeste CL, P rez-Sala D. Vimentin as a Multifaceted Player and Potential Therapeutic Target in Viral Infections. Int J Mol Sci. 2020;21(13):4675.
5. Su L, Pan P, Yan P, et al. Role of vimentin in modulating immune cell apoptosis and inflammatory responses in sepsis. Sci Rep. 2019;9(1):5747.
6. Valenzuela C, Gil M, Urrutia M, Sabag A, Enninga J, Santiviago CA. SopB- and SifA-dependent shaping of the Salmonella-containing vacuole proteome in the social amoeba Dictyostelium discoideum. Cell Microbiol. 2021;23(1):e13263.
7. St venin V, Chang YY, Le Toquin Y, et al. Dynamic Growth and Shrinkage of the Salmonella-Containing Vacuole Determines the Intracellular Pathogen Niche. Cell Rep. 2019;29(12):3958-3973.e7.
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