2019 年 7 月，来自美国西雅图儿童研究所、全球感染疾病研究中心的 Alan Aderem 教授团队在国际著名期刊《science immunology》上发表研究性文章，利用系统生物学的方法，阐明了在结核分枝杆菌感染早期肺泡巨噬细胞的应答反应——产生抗氧化转录信号 NRF-2 驱使的转录应答。

在结核分枝杆菌（M.tb.）感染过程中，肺泡巨噬细胞（AM）首先被感染，且 AM 对感染的固有免疫应答是引起适应性免疫应答、有效控制 M.tb. 感染的首要步骤。适应性免疫应答起始较慢是 M.tb. 感染的一个重要特点，因而研究 AM 对感染的早期应答对这一机制的理解有重要作用。

为获得足够的 AMs，研究人员建立高剂量 M.tb. 体内感染小鼠模型，并将 AMs 分为 naive 组：未被感染小鼠的 AM；bystander 组：感染小鼠中未被感染的 AM；M.tb-infected 组：感染小鼠中被感染的 AMs。分析感染 24 h 后差异表达的基因，并进行整合通路分析（IPA）得出 Nrf2 介导的氧化压力应答在感染的细胞中表达，并用转录因子功能域分析、Nrf2 的 CHIP-seq 分析验证这一差异，如图 1。但与体外实验不同的是，感染后 24 h 并没有明显上调经典的促炎基因。

图 1 M.tb. 感染 24 h 后，AM 上调 Nrf2 相关抗氧化基因信号

分析 AM 产生 Nrf2 这一抗氧化基因信号相关影响因素：结核分枝杆菌的致病性；感染时间长短以及炎症环境。分析正常菌株、缺乏致病因子菌株与引起吞噬反应微珠三组刺激条件下 AM 转录组表达差异，结果表明：产生 Nrf2 信号通路与细菌的致病性无关，且仅引起细胞吞噬都可促进 Nrf2 相关基因的表达，如图 2。感染后 10 天，M.tb 感染的 AM 上调 Nrf2 相关基因及促炎相关基因，如图 3。研究人员通过对比 M.tb 感染的 AM 与 bystander AMs 区分这一感染是胞内感染引起的还是与炎症环境相关，结果表明：M.tb 感染的 AM 高表达 Nrf2 相关基因，而 bystander AMs 高表达炎症通路相关基因，如图 4。

图 2 上调 Nrf2 相关信号无需致病性 M.tb. 感染

图 3 感染后 10 天，M.tb 感染的 AMs 上调 Nrf2 相关基因及促炎反应

图 4 感染后 10 天，bystander 细胞表达独特的转录信号

通过计算机分析的方法鉴定了 Nrf2 可能是 AM 应答 M.tb 体内感染的重要调节因素，因而研究人员进一步利用 Nrf2 基因敲除的小鼠模型验证这一基因的功能。对比基因敲除小鼠与野生型小鼠感染后的转录组发现 Nrf2 敲除的小鼠 AM 对 M.tb 感染的应答被抑制。利用条件性基因敲除的小鼠观察 Nrf2 在 AM 中的功能，结果表明条件性敲除的小鼠清除 M.tb 的能力增加；但 MHC 表达升高、细胞活性增加，如图 5。Nrf2 的表达破坏了 AM 控制细菌生长的能力，通过抑制 AM 的激活、阻断 M.tb 感染 AM 的死亡引起更多的细菌复制。

图 5 调节 Nrf2 的活性改变了 AM 的应答及对 M.tb 的控制

总结：

NRF2 的作用机制为：氧化压力信号使 NRF2 蛋白离开 keap1 蛋白，NRF2 再进入核内激发抗氧化应答元件（ARE）的转录，抗氧化基因上调，如图 6。NRF2 有保护机体对抗毒素、炎症反应与氧化压力、组织缺氧等功能。

图 6 NRF2 的作用机制（图片来源：mybiohack.com）

研究者分析 M.tb 感染早期 AM 的转录组特征。与之前利用体外系统描述的结果不同的是：M.tb. 感染的 AMs 上调细胞保护性的抗氧化转录信号，通过计算机通路分析以及转录因子 moitf 富集分析鉴别出 NRF2 是早期应答的主要调节因子，且这一过程依赖于肺部环境而不依赖细菌的致病力。利用 Nrf2 基因敲除的小鼠模型，作者进一步证明 Nrf2 破坏了 AM 对细菌生长的控制，降低了 MHC 的表达、阻止了被感染细胞的死亡。这项研究发现 M.tb. 感染的 24 h 内，AM 的应答不是以炎症反应为主的，而是以 NRF2 介导的抗氧化应答为主，且这一反应可能会阻碍宿主对感染的总体应答。该研究通过以 Beads 为对照的实验仍能产生 NRF-2 相关转录应答，作者认为，AM 中 NRF2 信号是对吞噬反应的应答而非致病细菌感染的应答。且在感染 10 天内，这一信号在 M.tb.infected AM 中持续存在。AM 仅在感染 10 天后上调促炎应答，且与 bystander 相比：M.tb. 感染的 AM 产生的炎症应答较低。通过对基因敲除小鼠的功能分析可以看出，NRF2 破坏了 AM 对细菌生长的控制能力。肺微环境下由吞噬引起的抗氧化应答——NRF2 信号通路对病原的清除、AM 的功能有不利的影响。

原文出处：Rothchild AC, Olson GS,  Nemeth J et.al.  Alveolar macrophages generate a noncanonical NRF2-driven transcriptional response to Mycobacterium tuberculosis in vivo. Sci Immunol. 2019 Jul 26;4(37). pii: eaaw6693. doi: 10.1126/sciimmunol.aaw6693.

供稿者：清华大学医学院 尚晓

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