逯曉旭 鄧 湉 張鵬超 章桂忠* 萬曉春*
1(中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055)
2(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)
天然免疫是機(jī)體抵御病原微生物入侵的第一道防線。天然免疫細(xì)胞(如巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞等)通過表達(dá)其上的模式識別受體(Pattern Recognition Receptors,PRRs)識別特定病原相關(guān)分子模式(Pathogen-Associated Molecular Patterns,PAMPs)[1-2],激活下游免疫應(yīng)答信號,發(fā)揮抗感染作用。其中,PRRs 是天然免疫應(yīng)答的關(guān)鍵,負(fù)責(zé)對病原體 PAMPs,如雙鏈 RNA、非甲基化 CpG DNA、細(xì)菌蛋白及脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)等的識別。PRRs 包含 Toll 樣受體(TLRs)、Nod 樣受體(NLRs)、視黃酸誘導(dǎo)基因 I(Retinoic Acid-Inducible Gene I,RIG-I)樣受體(RLRs)、甘露糖受體(MR)、清道夫受體(SR),這些受體能各自識別對應(yīng)的病原體 PAMPs[3-6]。
Toll 樣受體 4(TLR4)是 TLRs 家族中第一個被鑒定的成員[7],主要定位于細(xì)胞膜上,能特異性地識別細(xì)菌微生物并將細(xì)胞外抗原識別信息向細(xì)胞內(nèi)傳遞。TLR4 是類跨膜模式識別受體,其胞外域識別 LPS[8-9],通過胞內(nèi) Toll/IL-1 受體(TIR)結(jié)構(gòu)域與骨髓分化初級反應(yīng)蛋白 88(Myeloid Differentiation Primary Response Protein 88,MyD88)、TNF 受體相關(guān)因子 6(TNF Receptor Associated Factor 6,TRAF6)等接頭蛋白結(jié)合,激活下游的核因子 κB(Nuclear Factor Kappa-B,NF-κB)以及絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen-Activated Protein Kinase,MAPK)等信號通路[10-11],發(fā)揮抗感染作用。TLR4 信號缺陷會導(dǎo)致機(jī)體對革蘭陰性菌高度易感,表現(xiàn)為炎癥因子釋放減少,對革蘭陰性菌的清除能力下降,生存率降低[12]。反之,TLR4 信號異常激活會造成免疫損傷,誘發(fā)多種炎癥疾病,如結(jié)腸炎、腎炎、肺炎、肝炎和新生兒壞死性小腸結(jié)腸炎(Necrotizing Enterocolitis)等[13-14],而敲除小鼠的Tlr4對局灶性腦缺血有神經(jīng)保護(hù)作用[15]。近年來越來越多的研究表明,腫瘤的形成也與慢性感染、炎癥刺激相關(guān)。其中,TLR4 信號異常是一個常見因素,迄今已知與 TLR4 相關(guān)的腫瘤至少有 9 種[16]。因此,需要加深對 TLR4 信號通路的認(rèn)識,尋找合適的調(diào)控靶點,為相關(guān)疾病的診療、干預(yù)提供指導(dǎo)。
CD317 又稱為骨髓基質(zhì)細(xì)胞抗原 2(Bone Marrow Stromal Cell Antigen 2)、Tetherin 或HM1.24,分布于細(xì)胞膜和其他細(xì)胞內(nèi)膜上,有著獨特的脂筏相關(guān)的雙跨膜“橋式”蛋白結(jié)構(gòu)[17]?;谄涮厥獾慕Y(jié)構(gòu),CD317 可以將囊膜病毒束縛在宿主細(xì)胞表面,抑制病毒擴(kuò)散或?qū)⒉《緝?nèi)吞后通過泛素依賴的途徑降解[18-21]。不僅如此,CD317 還具有信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、免疫調(diào)節(jié)等功能。有文獻(xiàn)指出,CD317 可以激活 NF-κB 調(diào)控機(jī)體的抗病毒炎癥反應(yīng)[22-23];或通過與 ILT7 相互作用抑制類漿性樹突狀細(xì)胞活化,從而減少干擾素的產(chǎn)生[24]。此外,CD317 還可以通過招募E3 泛素連接酶 MARCH8(Membrane Associated RING-CH Proteins)將線粒體抗病毒信號蛋白(Mitochondrial Antiviral Signaling Protein)靶向核點蛋白 52(Nuclear Dot Protein 52)介導(dǎo)的自噬途徑,負(fù)調(diào)控視黃酸誘導(dǎo)基因樣受體介導(dǎo)的干擾素(Interferon,IFN)產(chǎn)生的作用[25]。盡管如此,目前仍未清楚 CD317 對 TLR4 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是否有調(diào)控作用。
THP-1、HEK293T 細(xì)胞購于美國模式培養(yǎng)物集存庫(American Type Culture Collection,ATCC)。細(xì)胞培養(yǎng)基 RPMI-1640、磷酸鹽緩沖液(Phosphate Buffered Saline,PBS)、青霉素-鏈霉素混合雙抗均購于美國 Hyclone 公司。DMEM (Dulbecco Modified Eagle Medium)、胎牛血清(澳源)、Opti-MEM購于美國 Gibco 公司。佛波酯(Phorbol 12-Myristate 13-Acetate,PMA)、脂多糖(LPS)購于美國 Sigma-Aldrich公司。Lipofectamine 3000 購于 Invitrogen 公司。TransZol Up Plus RNA Kit、One-Step gDNA Removal and cDNA Synthesis SuperMix 及 SYBR GreenRealtime PCR Mix 購于北京全式金公司。巰基乙酸鹽肉湯培養(yǎng)基(211716)購于美國 BD 公司。Phospho-NF-κB p65 (Ser536) (93H1) Rabbit mAb (3033)、Phospho-p38 MAPK (Thr180/Tyr182)Rabbit mAb (4511)購于美國 Cell Signaling Technology (CST)公司。BST-2 (M-100) (Rabbit pAb,sc-99193) 購于美國 Santa 公司。APC Goat anti-mouse IgG poly 4053 (405308)、HRPanti-HA.11 抗體(901519)購于 Biolegend 公司。GAPDH (MB001)購于美國 Bioworld Technology公司。小鼠抗 β-Actin 單克隆抗體(A5441)購于美國 Sigma 公司。小鼠抗 CD317 單克隆抗體(1C12C6)由本文作者團(tuán)隊制備。HRP-anti-Flag抗體(200-303-383)購于 Rockland 公司。
2.2.1 細(xì)胞培養(yǎng)
THP-1 細(xì)胞采用 RPMI-1640 完全培養(yǎng)基(含10% 血清和 1% 青鏈霉素混合雙抗)進(jìn)行培養(yǎng)、傳代;HEK293T 細(xì)胞采用 DMEM 完全培養(yǎng)基(含 10% 血清和 1% 青鏈霉素混合雙抗)進(jìn)行傳代培養(yǎng)。培養(yǎng)箱環(huán)境為 37 ℃、5% CO2。
2.2.2CD317敲基因小鼠制備及基因型鑒定
本實驗委托賽業(yè)生物公司制備CD317敲基因小鼠——利用 CRISPR/Cas9 技術(shù)敲除CD317位于 1~3 號外顯子附近長度約為 2 500 bp 的DNA 片段。小鼠基因型鑒定采用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase Chain Reaction,PCR)擴(kuò)增方法,所用 gRNA 序列及 PCR 擴(kuò)增引物序列如下。
2.2.3 小鼠腹腔巨噬細(xì)胞誘導(dǎo)和提取
選取 6~8 周齡小鼠,連續(xù) 3 天向其腹腔注射 1 mL 3% (w/v)的巰基乙酸肉湯培養(yǎng)基,然后脫頸處死;用 75% 的乙醇溶液浸泡小鼠 5 min后,用注射器向其腹腔注射 10 mL 經(jīng) 4 ℃ 預(yù)冷的 PBS 緩沖液;輕揉小鼠腹部 3 min 后,將其腹腔內(nèi)液體吸出并置于離心管中;400 g 離心10 min,棄上清液,用含 10% 胎牛血清(Fetal Bovine Serum,F(xiàn)BS)的 DMEM 培養(yǎng)基將細(xì)胞密度調(diào)整至 1.5×106cell/mL 并接種到細(xì)胞板中。在 5% CO2、37 ℃ 恒溫箱培養(yǎng)過夜后,用 PBS 緩沖液沖洗去除未貼壁的細(xì)胞,即得到小鼠腹腔巨噬細(xì)胞(Peritoneal Macrophages,PMs)。本文實驗動物方案經(jīng)由中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院動物倫理委員會審查(SIAT-IACUC-210310-YYSZGZ-A1783)通過。
2.2.4 THP-1 來源的人巨噬細(xì)胞誘導(dǎo)
THP-1 來源的人巨噬細(xì)胞(THP-1 Drived Macrophages,TDMs)采用 PMA 誘導(dǎo)法,取狀態(tài)良好的 THP-1 細(xì)胞,離心(150 g、5 min)并重懸后進(jìn)行細(xì)胞計數(shù),調(diào)整細(xì)胞密度至 1×106cell/mL,同時加入 25 ng/mL PMA,混勻后將其接種到細(xì)胞板中,在培養(yǎng)箱誘導(dǎo)分化 18 h 后,用 PBS 緩沖液清洗 3 遍并加入完全培養(yǎng)基。
2.2.5 轉(zhuǎn)染
采用匯合度 60%~80% 左右、生長狀態(tài)良好的細(xì)胞作為受體細(xì)胞,利用 Lipofectamine 3000 轉(zhuǎn)染試劑進(jìn)行小干擾 RNA(siRNA)或質(zhì)粒的轉(zhuǎn)染,Plvx-hCD317-HA 質(zhì)粒由本文作者所在實驗室構(gòu)建,pEnter-hTRAF6-flag-His 和 pEnterhMyD88-flag-His 購于山東維真生物科技有限公司;所用 siRNA 序列共 3 個。
2.2.6 RNA 提取、逆轉(zhuǎn)錄及實時熒光定量 PCR
PMs 鋪板過夜或者 TDMs 轉(zhuǎn)染 siRNA 48 h后,去除培養(yǎng)基,加 LPS 刺激并于刺激后 0 h、2 h、4 h、6 h 收集細(xì)胞。使用 TRIZOL 劑提取總 RNA,進(jìn)一步利用試劑盒將 RNA 反轉(zhuǎn)錄成cDNA,以用于實時熒光定量 PCR 檢測。所用引物由金唯智公司合成,引物序列見表 1。擴(kuò)增結(jié)束后,以ATCB和Atcb為內(nèi)參基因,采用 2-ΔΔCT方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行相對定量分析。
表1 引物序列Table 1 Primer sequence
2.2.7 免疫共沉淀(co-IP)
將 Plvx-hCD317-HA/pEnter-hTRAF6-flag-His 或 Plvx-hCD317-HA/pEnter-hMyD88-flag-His(1 μg/1 μg)質(zhì)粒組合轉(zhuǎn)染至 HEK293T 細(xì)胞中。48 h后收集細(xì)胞,將其用 IP(Immunoprecipitation)裂解液重懸并在冰上裂解 30 min;將裂解液以13 000 r/min 離心 15 min 后收集上清液;每個樣品取部分作為上樣對照(Input),將剩余上清液平均分配后分別加入 1 μg 小鼠抗 Flag 抗體或小鼠IgG 抗體;混勻后將其在 4 ℃ 旋轉(zhuǎn)孵育 1 h;隨后再將其加入經(jīng) IP 裂解液洗滌的 Protein A/G 磁珠(ThermoFisher,88802),4 ℃ 轉(zhuǎn)動孵育過夜。孵育結(jié)束后,以預(yù)冷的 IP 裂解液洗滌磁珠 5 次,用 2×SDS Loading Buffer 重懸磁珠,并于 100 ℃加熱 8 min 進(jìn)行蛋白變性。最后樣品采用蛋白質(zhì)免疫印跡法(Western Blot)進(jìn)行檢測,所用抗體為 HRP-anti-HA.11(1∶5 000)和 HRP-anti-Flag(1∶20 000)。
2.2.8 蛋白質(zhì)免疫印跡法
收集細(xì)胞并用 RIPA 裂解液重懸,冰上裂解30 min 后,以 13 000 r/min 離心 15 min,轉(zhuǎn)移上清液至新的 EP 管;取適量樣品用 BCA 定量法測定蛋白濃度,其余加入 5×SDS Loading Buffer 混勻至終濃度為 1×,并在 100 ℃ 變性 8 min。蛋白樣品經(jīng) SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳、轉(zhuǎn)膜及 5%牛血清白蛋白(Bovine Albumin)封閉后,加入按建議比例稀釋的一抗工作液,置于往復(fù)式搖床 4 ℃孵育過夜;使用 PBST 充分洗滌以去除殘留抗體,加入辣根過氧化物酶(Horseradish Peroxidase,HRP)標(biāo)記的二抗,室溫孵育 1 h;PBST 清洗后用多功能成像儀檢測蛋白信號。
2.2.9 流式分析
用 100 ng/mL LPS 刺激 PMs 后收集細(xì)胞,將其用 PBS 充分洗滌并重懸,加入 Anti-CD317(M100)抗體(1/100),在 4 ℃ 下孵育30 min;經(jīng) PBS 充分洗滌以去除未結(jié)合抗體,而后加入 APC anti-mouse IgG(1/200),避光孵育30 min 后,再用 PBS 洗滌 3 遍,流式檢測APC(別藻青蛋白) 熒光信號。
使用 GraphPad Prism 8.0 軟件對所有組內(nèi)及組間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并作圖。所有數(shù)值均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差”表示;采用非配對 t 檢驗分析組間數(shù)據(jù)是否具有統(tǒng)計學(xué)差異。當(dāng)P<0.05 時,認(rèn)為兩組數(shù)據(jù)間具有統(tǒng)計學(xué)差異;當(dāng)P<0.01 時,認(rèn)為兩組數(shù)據(jù)間具有顯著統(tǒng)計學(xué)差異;當(dāng)P<0.001時,認(rèn)為兩組數(shù)據(jù)間具有極顯著統(tǒng)計學(xué)差異。
為了研究 CD317 對 TLR4 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的作用,首先用 LPS 刺激小鼠腹腔內(nèi)的巨噬細(xì)胞(PMs)和 THP-1 來源的人巨噬細(xì)胞(TDMs);然后,分別于 LPS 刺激后 0 h、2 h、4 h、6 h 收集細(xì)胞;最后,利用熒光定量 PCR 技術(shù)對CD317mRNA的表達(dá)水平進(jìn)行檢測。圖 1(a,b)結(jié)果顯示,LPS刺激顯著促進(jìn)小鼠和人巨噬細(xì)胞中CD317的表達(dá)。進(jìn)一步利用蛋白質(zhì)免疫印跡法或流式細(xì)胞術(shù)對蛋白水平進(jìn)行驗證,結(jié)果與 mRNA 水平的變化趨勢一致,LPS 刺激可以顯著提高 PMs 和TDMs 細(xì)胞中 CD317 的表達(dá)(圖 1(c,d))。這些結(jié)果說明 CD317 能夠被 TLR4 信號誘導(dǎo)表達(dá),極可能參與 TLR4 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)或功能實現(xiàn)過程。
圖1 LPS 刺激對 THP-1 誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞和小鼠原代腹腔巨噬細(xì)胞 CD317 表達(dá)的影響Fig.1 The expression of CD317 in THP-1-induced macrophage and primary peritoneal macrophage induced by LPS
為了研究 CD317 是否參與 TLR4 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控,利用 CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)靶向敲除CD317基因 1~3 號外顯子,構(gòu)建基因敲除小鼠(圖 2(a)),并利用 PCR 對子代小鼠基因進(jìn)行鑒定,結(jié)果如圖 2(b)所示。與雜合子小鼠相比,純合子基因敲除鼠由于片段缺失,Primer-Wt/Het-R引物失去互補(bǔ)位點,PCR 反應(yīng)只能由 Primer-F和 Primer-R 介導(dǎo),因此僅約有 540 bp 的擴(kuò)增片段。這表明成功獲得了CD317基因敲除小鼠。隨后,進(jìn)一步分離野生型(Wild Type,WT)和敲基因(Knock Out,KO)小鼠的腹腔巨噬細(xì)胞并利用流式細(xì)胞術(shù)對 CD317 表達(dá)進(jìn)行檢測,從蛋白水平對敲除效果進(jìn)行驗證。圖 2(c)結(jié)果顯示,不管是在正常狀態(tài)還是 LPS 刺激后,KO 小鼠腹腔巨噬細(xì)胞均未檢出陽性信號;而 WT 小鼠的CD317 表達(dá)陽性且表達(dá)水平隨著 LPS 刺激的增強(qiáng)而升高。該結(jié)果從蛋白水平驗證了CD317的敲除效果。
圖2 CD317 基因敲除鼠構(gòu)建及鑒定Fig.2 Creation and identification of CD317 knockout mouse
為了研究 CD317 對 TLR4 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的影響,首先用 LPS 刺激 WT 和CD317KO 小鼠來源的腹腔巨噬細(xì)胞,于不同時間點收集細(xì)胞。通過實時熒光定量 PCR 技術(shù)對CD317以及Tnf、Il1b、Il6等促炎細(xì)胞因子 mRNA 的表達(dá)進(jìn)行檢測,結(jié)果如圖 3(a~d)所示。LPS 以時間依賴的方式上調(diào)WT 小鼠腹腔巨噬細(xì)胞中CD317以及相關(guān)促炎細(xì)胞因子的表達(dá),而 KO 小鼠腹腔巨噬細(xì)胞由于缺失了CD317,Tnf、Il1b、Il6以及Il12bmRNA 的表達(dá)都受到不同程度的影響,總體水平顯著低于WT 小鼠腹腔巨噬細(xì)胞。結(jié)果表明,CD317 促進(jìn)TLR4 介導(dǎo)的促炎細(xì)胞因子表達(dá)。這一觀點在人源 TDMs 細(xì)胞中也得到了驗證,如圖 3(e~i)所示。這表明CD317敲減顯著抑制了 LPS 誘導(dǎo)的CD317 以及相關(guān)促炎細(xì)胞因子的表達(dá)。
圖3 CD317 敲減/敲除抑制巨噬細(xì)胞促炎細(xì)胞因子表達(dá)水平Fig.3 CD317 knockout/knockdown inhibited the expression of pro-inflammatory cytokines in macrophages
為進(jìn)一步研究 CD317 影響 TLR4 介導(dǎo)的促炎細(xì)胞因子產(chǎn)生的機(jī)制,對 TLR4 下游關(guān)鍵的通路進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),CD317敲除顯著抑制了腹腔巨噬細(xì)胞中 NF-κB 的活化,而對 p38 信號通路基本沒有影響(圖 4(a))。這一結(jié)果在CD317敲減的 TDMs 細(xì)胞模型中也得到了驗證(圖 4(b))。
圖4 CD317 敲減/敲除抑制 LPS 誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞 NF-κB 通路活化Fig.4 CD317 knockdown/knockout suppresses LPS-mediated NF-κB activation in macrophage
為進(jìn)一步探索 CD317 參與 TLR4 信號調(diào)控的可能機(jī)制,將 CD317 分別和 MyD88、TRAF6表達(dá)質(zhì)粒在 HEK293T 中共表達(dá),然后利用免疫共沉淀方法研究 CD317 是否能夠與 TLR4 下游關(guān)鍵蛋白 MyD88、TRAF6 相互作用。圖 5顯示,CD317 能夠與 MyD88、TRAF6 相互作用。因此,CD317 可能通過與 MyD88、TRAF6的相互作用來增強(qiáng) NF-κB 活化,但具體的分子機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。
圖5 CD317 與 MyD88、TRAF6 存在相互作用Fig.5 CD317 interacts with MyD88 and TRAF6
TLR4 是一個重要的固有免疫識別受體,在機(jī)體抗感染免疫中發(fā)揮重要作用。TLR4 信號異常不僅與細(xì)菌感染相關(guān),同時也是一些自身免疫疾病,如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(Rheumatoid Arthritis)、系統(tǒng)性紅斑狼瘡(Systemic Lupus Erythematosus)等的致病因素[26-28]。因此,TLR4 信號需要被精準(zhǔn)調(diào)控,以確保其適度的活化。對 TLR4 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)鍵調(diào)控蛋白的研究和鑒定,有助于理解 TLR4免疫機(jī)制和開發(fā)新的臨床干預(yù)方法。
盡管 CD317 具有病毒束縛功能,但人類免疫缺陷病毒(Human Immunodeficiency Virus,HIV)、乙型肝炎病毒(HBV)、SARS-CoV 等多種病毒可以通過不同機(jī)制逃避該作用[31-32]。以 HIV為例,病毒可以通過 Vpu、Env 等蛋白與 CD317結(jié)合從而將其從細(xì)胞膜移除或靶向蛋白酶體途徑的降解[20,33]。這種病毒介導(dǎo)的逃避機(jī)制可能無意中降低了被感染巨噬細(xì)胞 CD317 的表達(dá)水平,從而損傷 TLR4 信號轉(zhuǎn)導(dǎo),造成病毒/細(xì)菌復(fù)合感染。世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,HIV-1感染者患結(jié)核病的風(fēng)險是未感染者的 16~27 倍,僅 2015 年 1 年就有 39 萬艾滋病毒感染者的死亡與結(jié)核病有關(guān)[34]。結(jié)核桿菌的主要免疫清除機(jī)制是巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的吞噬作用以及呼吸爆發(fā)產(chǎn)生的殺菌效應(yīng)[35]。巨噬細(xì)胞通過 TLR4 等模式識別受體識別結(jié)核桿菌[36],誘發(fā)炎癥反應(yīng)抵抗感染[37],對結(jié)核病的轉(zhuǎn)歸具有關(guān)鍵的作用。在 HIV感染過程中,除了 CD4+T 細(xì)胞,巨噬細(xì)胞也是其主要的宿主細(xì)胞[38]。因此,HIV 感染巨噬細(xì)胞后,Vpu 等蛋白介導(dǎo)的 CD317 降解可能損傷 TLR4信號轉(zhuǎn)導(dǎo),導(dǎo)致巨噬細(xì)胞天然免疫應(yīng)答受到抑制,無法有效應(yīng)對結(jié)核分支桿菌等微生物的侵襲。從這個角度來看,本文研究結(jié)果為臨床上 HIV 患者易感結(jié)核桿菌提供了一種潛在的解釋,也為 HIV 等病毒損傷固有免疫應(yīng)答提供了新的證據(jù)。
本研究利用敲基因小鼠腹腔巨噬細(xì)胞和THP-1 來源的人巨噬細(xì)胞,較為系統(tǒng)地研究了CD317 對 TLR4 信號通路的影響。結(jié)果顯示,CD317 促進(jìn) TLR4 介導(dǎo)的 NF-κB 活化及促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生,并初步發(fā)現(xiàn) CD317 與 TLR4 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)鍵蛋白 MyD88、TRAF6 存在相互作用,為分子機(jī)制探索指明了方向。該研究結(jié)果不僅豐富了對 CD317 功能尤其是其在抗感染天然免疫調(diào)控中的作用的認(rèn)識,也為相關(guān)疾病的治療策略開發(fā)提供新的靶點和理論指導(dǎo)。