金黃色葡萄球菌的免疫逃逸策略①

楊思宇 范釗瑋 李皖豫 崔玉東（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，大慶163319）

金黃色葡萄球菌（S.aureus）是一種重要的條件性致病菌，定殖于約30%健康人群上呼吸道［1］。S.aureus可引發(fā)皮膚和軟組織感染，包括毛囊炎、膿皰瘡及燙傷皮膚綜合征等，還可引發(fā)菌血癥、心內(nèi)膜炎（IE）、骨關(guān)節(jié)炎、中毒性休克綜合征（TSS）等［2］。抗生素臨床應(yīng)用前，S.aureus引發(fā)的菌血癥患者死亡率超過(guò)80%，青霉素的使用大大降低了感染死亡率，但耐藥菌株也隨之出現(xiàn)［3］。1959年首次采用改進(jìn)的β-內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素——甲氧西林進(jìn)行治療以來(lái)，關(guān)于耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）菌株的報(bào)道不斷增多。醫(yī)院相關(guān)MRSA（HA-MRSA）是目前各國(guó)醫(yī)院感染的主要原因，過(guò)去幾十年，社區(qū)相關(guān)MRSA（CA-MRSA）備受關(guān)注［4］。萬(wàn)古霉素是目前CA-MRSA和HA-MRSA嚴(yán)重感染的一線(xiàn)治療藥物，但其耐藥菌株越來(lái)越多［5-6］。因此，預(yù)防和治療S.aureus感染的疫苗研究成為熱點(diǎn)。S.aureus毒力因子繁多，致病機(jī)理復(fù)雜，尚未獲得有效的、可用于臨床的S.aureus疫苗。因此，了解S.aureus免疫逃逸策略有助于開(kāi)發(fā)基于免疫輔助療法和安全有效的疫苗。

1 S.aureus可逃避抗菌肽

機(jī)體抵抗病原微生物入侵的第一道防線(xiàn)是宿主屏障結(jié)構(gòu)，如皮膚、呼吸道黏膜和腸道黏膜等。這些組織中含有高濃度抗菌肽（AMPs）和酶，可殺死或抑制入侵微生物。α-defensins是一種帶有疏水區(qū)域的陽(yáng)離子小分子肽，是針對(duì)S.aureus的主要抗菌肽，由中性粒細(xì)胞大量產(chǎn)生，占中性粒細(xì)胞顆粒蛋白的50%，可被分泌至周?chē)h(huán)境或與成熟吞噬體融合殺滅細(xì)菌［7］。但S.aureus可利用毒力因子靶向作用于皮膚和黏膜屏障處的α-defensins，如葡激酶（staphylokinase，SAK）是S.aureus產(chǎn)生的一種胞外蛋白，可直接結(jié)合和殺滅α-defensins［8］。Cathelicidins是一種具有保守的N端cathelin域和可變的C端AMP域的抗菌肽，具有抗S.aureus活性，與α-defen?sins共同存在于中性粒細(xì)胞顆粒蛋白［9］。但S.aureus溶血素和V8蛋白酶可靶向裂解Cathelicidins家族的LL-37使其失活［10］。破壞LL-37是S.aureus引發(fā)皮膚感染的重要環(huán)節(jié)，如過(guò)敏性皮膚炎患者LL-37水平下調(diào)，更容易感染S.aureus［11］。Lysozyme是一種在黏液分泌物中發(fā)現(xiàn)的溶菌酶，存在于眼淚、鼻涕、唾液、汗水和血清，通過(guò)攻擊細(xì)胞壁肽聚糖殺滅細(xì)菌。S.aureus對(duì)抗溶菌酶的方式是利用O-乙?；D(zhuǎn)移酶（OatA）將胞壁肽聚糖中的胞壁酸殘基乙?；?，在細(xì)胞壁和酶活性位點(diǎn)間產(chǎn)生空間位阻進(jìn)而抑制溶菌酶活性［12］。

2 S.aureus可逃避補(bǔ)體系統(tǒng)

逃避上皮屏障處抗菌肽殺傷后，S.aureus必須與補(bǔ)體系統(tǒng)抗衡［13］。補(bǔ)體系統(tǒng)是由30余種可溶性蛋白、膜結(jié)合性蛋白和補(bǔ)體受體組成的多分子系統(tǒng)，“補(bǔ)充”機(jī)體免疫應(yīng)答。病原感染期，補(bǔ)體具有3個(gè)主要功能：調(diào)節(jié)細(xì)菌表面以增強(qiáng)吞噬作用、產(chǎn)生炎癥信號(hào)招募吞噬細(xì)胞、通過(guò)形成膜攻擊復(fù)合物（MAC）破壞病原體。補(bǔ)體具有3種激活途徑：經(jīng)典激活途徑、MBL激活途徑和旁路激活途徑，3種途徑以不同方式激活，均通過(guò)C3轉(zhuǎn)化酶裂解C3，形成C3a和C3b 2個(gè)片段，C3a是一種有效的趨化物，而C3b則通過(guò)與病原體表面共價(jià)結(jié)合并與其他補(bǔ)體成分形成蛋白水解復(fù)合物，通過(guò)裂解更多C3并在細(xì)胞表面沉積更多C3b放大級(jí)聯(lián)反應(yīng)。補(bǔ)體系統(tǒng)對(duì)正常免疫功能至關(guān)重要，因此，逃避補(bǔ)體是多種致病菌的優(yōu)先策略［14］。

葡萄球菌蛋白A（SpA）是S.aureus最具特征性的毒力因子之一，除可被分泌至周?chē)h(huán)境外，還可與細(xì)胞壁結(jié)合。SpA有5個(gè)免疫球蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)域，可與免疫球蛋白Fc段高親和力結(jié)合，通過(guò)干擾經(jīng)典補(bǔ)體激活途徑幫助S.aureus逃避宿主細(xì)胞吞噬作用，還可通過(guò)阻止C1q與細(xì)胞表面抗體-抗原復(fù)合物結(jié)合阻斷經(jīng)典補(bǔ)體途徑激活［15］。免疫球蛋白第二結(jié)合蛋白（Sbi）是繼SpA后發(fā)現(xiàn)的第二種具有較強(qiáng)抗調(diào)理特性的毒力因子，可與脂磷壁酸結(jié)合而錨定于細(xì)胞膜，并與Fcγ段和C3結(jié)合，為S.aureus逃避吞噬作用提供保障［16］。葡萄球菌超抗原樣蛋白7（SSL7）也可靶向免疫球蛋白，與IgA1和IgA2結(jié)合，破壞IgA與細(xì)胞表面FcaRI相互作用，逃避FcaRI介導(dǎo)的吞噬作用。此外SSL7還可與C5結(jié)合阻止C5a產(chǎn)生和MAC形成［17］。葡激酶（SAK）除靶向抗菌肽外，還可裂解血液中的纖溶酶原為纖溶酶，降解IgG和C3b，有效破壞所有補(bǔ)體激活途徑［18］。細(xì)胞外纖維蛋白原結(jié)合蛋白（Efb）可與C3d結(jié)合，通過(guò)阻止C3裂解、C3b沉積和C3轉(zhuǎn)化酶形成阻斷所有補(bǔ)體激活途徑，Efb與C3d結(jié)合還可阻止B細(xì)胞識(shí)別C3d片段，從而破壞適應(yīng)性免疫應(yīng)答［19］。細(xì)胞外補(bǔ)體結(jié)合蛋白（Ecb）可與C3b結(jié)合，在細(xì)胞表面通過(guò)與補(bǔ)體因子H（FH）和C3b形成復(fù)合物，利用FH的調(diào)節(jié)活性導(dǎo)致C3b失活，干擾旁路激活途徑［20］。Ecb也可干擾中性粒細(xì)胞通過(guò)補(bǔ)體受體1（CR1）識(shí)別C3b，破壞吞噬作用［21］。葡萄球菌趨化抑制蛋白（CHIPS）可有效干擾C5a和甲酰化肽，不僅可增強(qiáng)S.aureus的抗吞噬功能，還可干擾中性粒細(xì)胞遷移［22］。葡萄球菌補(bǔ)體抑制物（SCIN）是S.aureus靶向補(bǔ)體系統(tǒng)的最有效成分，可直接與C3轉(zhuǎn)化酶結(jié)合抑制所有補(bǔ)體激活途徑［23］。

3 S.aureus可逃避吞噬細(xì)胞

吞噬細(xì)胞吞噬入侵病原體后，通過(guò)次氯酸（HClO）和活性氧（ROS）等物質(zhì)破壞被吞噬的病原體。模式識(shí)別受體（pattern recognition receptor，PRR）可識(shí)別病原體相關(guān)分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMP），如酵母聚糖、脂多糖和肽聚糖等，觸發(fā)一系列信號(hào)分子，使吞噬細(xì)胞吞噬病原體，產(chǎn)生殺菌物質(zhì)，并激活炎癥反應(yīng)對(duì)抗入侵病原體［24］。巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞是先天免疫系統(tǒng)識(shí)別病原體后被募集至感染部位的主要吞噬細(xì)胞，是有效清除S.aureus所必需的細(xì)胞，但S.aureus通過(guò)直接攻擊吞噬細(xì)胞、調(diào)節(jié)識(shí)別信號(hào)產(chǎn)生、阻止趨化信號(hào)抵抗其吞噬能力。

感染期間，先天性免疫產(chǎn)生多種趨化因子，如CXCL1、CXCL2、CXCL7和CXCL8［25］。CXCR2是表達(dá)于中性粒細(xì)胞表面的主要趨化受體，可識(shí)別上述4種趨化因子。但S.aureus分泌的半胱氨酸蛋白酶A（ScpA）可破壞CXCR2受體，通過(guò)裂解CXCR2 N末端導(dǎo)致其無(wú)法發(fā)揮功能［26］。吞噬細(xì)胞還表達(dá)其他趨化受體，如C5a受體（C5aR1和C5L2）和甲酰肽受體（FPR1、FPR2和FPR3）。甲 酰 肽 樣 受 體-1（FPRL1）與FPR1密切相關(guān)，可與多種配體結(jié)合發(fā)揮作用，而FPRL1抑制蛋白（FLIPr）對(duì)FPRL1具有高親和力抑制作用，對(duì)FPR1和FPR2也具有一定抑制作用，但程度較輕。S.aureus可產(chǎn)生與FLIPr具有73%同源性的FLIPr樣（FLIPr-like）蛋白，也可抑制FPRL1、FPR1和FPR2，F(xiàn)LIPr和FLIPr-like蛋白孵育中性粒細(xì)胞導(dǎo)致FPR激動(dòng)劑fMLF和MMK-1趨化活性完全喪失［27］。此外，F(xiàn)LIPr和FLIPr-like蛋白還可通過(guò)抑制Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類(lèi)IgG受體（FcγR）破壞抗體介導(dǎo)的調(diào)理吞噬作用［28］。最近研究表明，葡萄球菌超抗原樣13（SSL13）可以人類(lèi)特有方式靶向FPR2受體，證明S.aureus在感染過(guò)程中對(duì)甲酰基肽受體的廣泛靶向性［29］。TLR2可通過(guò)結(jié)合肽聚糖相關(guān)脂蛋白使吞噬細(xì)胞識(shí)別S.aureus，在抗S.aureus免疫中起關(guān)鍵作用；S.aureus通過(guò)葡萄球菌超抗原樣3（SSL3）靶向結(jié)合TLR2，抑制由TLR2介導(dǎo)的中性粒細(xì)胞殺傷功能［30］。除SSL3外，S.aureus還通過(guò)由酚溶性調(diào)節(jié)蛋白（PSMs）介導(dǎo)的脫落細(xì)菌脂蛋白間接作用于TLR2影響其功能［31］。吞噬細(xì)胞在從血液遷移至組織過(guò)程中，表達(dá)P-選擇素糖蛋白配體-1（PSGL-1），進(jìn)而與選擇素結(jié)合并滾動(dòng)黏附進(jìn)入組織［25］。S.aureus通過(guò)分泌葡萄球菌腸毒素樣毒素X（SELX）與糖基化PSGL-1結(jié)合破壞遷移，阻止選擇識(shí)別和滾動(dòng)黏附［32］。另一種毒力因子——葡萄球菌超抗原樣5（SSL5）以相同方式靶向結(jié)合PSGL-1干擾吞噬細(xì)胞募集。此外，SSL5還可與幾種重要的趨化受體N端結(jié)合，從而阻止C3a-、C5a-、CXCL1-和IL-8介導(dǎo)的吞噬細(xì)胞激活［33］。靶向AMPs和補(bǔ)體系統(tǒng)的幾種毒力因子（如SAK、CHIPS和SCIN）可通過(guò)使C3轉(zhuǎn)化酶失活而阻斷免疫球蛋白結(jié)合，并抑制趨化性受體信號(hào)傳導(dǎo)，從而干擾吞噬細(xì)胞募集和激活。吞噬細(xì)胞吞噬細(xì)菌后產(chǎn)生多種化合物破壞病原體，中性粒細(xì)胞絲氨酸蛋白酶（NSPs），包括彈性蛋白酶、組織蛋白酶G和蛋白酶3，在清除感染和控制炎癥中發(fā)揮重要作用。NSPs通過(guò)中性粒細(xì)胞胞外誘捕網(wǎng)（NETs）在細(xì)胞外殺死細(xì)菌，或被釋放至細(xì)胞外環(huán)境直接殺死病原體、降解細(xì)菌毒力因子［34］。感染過(guò)程中，S.aureus通過(guò)產(chǎn)生3種細(xì)胞外黏附蛋白（Eap、EapH1和EapH2）非共價(jià)封閉催化裂隙并阻斷酶活性，Eap在納摩爾范圍內(nèi)即可表現(xiàn)出抑制活性，并在體內(nèi)促進(jìn)S.aureus感染［35］。此外，S.aureus還可產(chǎn)生多種具有裂解活性的雙組分成孔毒素，這些毒素識(shí)別細(xì)胞表面趨化因子受體，一種成分與趨化因子受體結(jié)合，募集第二種成分，導(dǎo)致細(xì)胞膜形成孔道，致使細(xì)胞溶解損傷吞噬細(xì)胞功能［36］。如NK細(xì)胞作為固有免疫系統(tǒng)主要效應(yīng)細(xì)胞之一，可快速識(shí)別并清除病原體，S.aureus可分泌LukED特異性識(shí)別CCR5以溶解NK細(xì)胞、樹(shù)突狀細(xì)胞（DC）等免疫細(xì)胞，破壞機(jī)體免疫應(yīng)答［37］。

4 S.aureus可逃避適應(yīng)性免疫應(yīng)答

適應(yīng)性免疫應(yīng)答——體液免疫應(yīng)答和細(xì)胞免疫應(yīng)答是宿主抵御微生物入侵的重要武器。S.aureus逃避體液免疫應(yīng)答的一個(gè)重要機(jī)制是通過(guò)SpA激活B細(xì)胞多克隆。SpA包含5個(gè)免疫球蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)域，可結(jié)合IgG和IgM的Fcγ結(jié)構(gòu)域及VH3家族的Fab部分，其中，SpA結(jié)合Fcγ主要阻止對(duì)S.aureus的調(diào)理吞噬作用，而結(jié)合Fab主要導(dǎo)致B細(xì)胞活化和克隆擴(kuò)增。Fab結(jié)合可對(duì)B細(xì)胞產(chǎn)生超抗原作用，誘導(dǎo)人體內(nèi)30%B細(xì)胞和小鼠體內(nèi)約10%B細(xì)胞多克隆活化，從而限制宿主對(duì)其他S.aureus毒力因子的應(yīng)答［38］。此外，研究表明，SpA與小鼠B細(xì)胞結(jié)合可導(dǎo)致B細(xì)胞受體及共受體CD19和CD21下調(diào)，抑制細(xì)胞增殖，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡［39］。S.aureus還可作為兼性細(xì)胞內(nèi)病原菌逃避體液免疫反應(yīng)，如抵抗中性粒細(xì)胞的殺傷作用并在細(xì)胞內(nèi)生長(zhǎng)，或以小菌落變異體（SCVs）形式存在于上皮細(xì)胞，SCVs的持續(xù)存在使S.aureus引發(fā)促進(jìn)疾病發(fā)生并反復(fù)感染宿主［40］。此外，對(duì)S.aureus產(chǎn)生的某些抗體反應(yīng)可增強(qiáng)其毒性，如抗PVL抗體可增加小鼠皮膚膿腫及細(xì)菌負(fù)荷，抑制人中性粒細(xì)胞對(duì)S.aureus的殺傷作用［41］。

除干擾宿主抗體防御外，S.aureus還采用多種策略破壞T細(xì)胞防御。S.aureus可表達(dá)23種血清特異性超抗原（SAgs），如中毒性休克綜合征毒素1（TSST-1）、葡萄球菌腸毒素B（SEB）和葡萄球菌腸毒素C（SEC）等［42］。SAgs可避開(kāi)常規(guī)MHC分子限制的抗原提呈，通過(guò)結(jié)合T細(xì)胞受體的特定Vβ鏈激活T細(xì)胞，釋放非特異性細(xì)胞因子，使免疫反應(yīng)向Th1極化。SAgs刺激后，大量T細(xì)胞擴(kuò)增導(dǎo)致IL-2局部消耗，從而抑制保護(hù)性T細(xì)胞應(yīng)答［43］。此外，S.aureus肽聚糖（PGN）可下調(diào)SAgs誘導(dǎo)的趨化因子（如CX?CL10）表達(dá)，防止T細(xì)胞募集。S.aureus還可分泌1種MHCⅡ類(lèi)分子模擬蛋白（Map），是一種可驅(qū)動(dòng)T細(xì)胞向Th2表型分化、誘使T細(xì)胞溶解或凋亡的毒素［44］。調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Treg）是免疫系統(tǒng)改善感染引發(fā)過(guò)度炎癥相關(guān)損傷的重要機(jī)制，可預(yù)防自身免疫并對(duì)其他免疫細(xì)胞群體發(fā)揮有效抑制作用［45］。由于Treg的免疫抑制特性，多種病原體已進(jìn)化出利用該細(xì)胞群體抑制保護(hù)性免疫應(yīng)答的逃避策略［46］。如S.aureus的腸毒素A（SEA）可誘導(dǎo)FOXP3表達(dá)和細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞相關(guān)蛋白4（CTLA-4）表達(dá)，促使T細(xì)胞向Treg轉(zhuǎn)化以抑制保護(hù)性免疫應(yīng)答［47］。酚溶性調(diào)節(jié)蛋白（PSMs）可DC TLR2配體識(shí)別能力，降低DC活化T細(xì)胞的能力，抑制Th1分化并特異性誘導(dǎo)Treg產(chǎn)生［48］。S.aureus還可破壞Th17細(xì)胞發(fā)育，而Th17細(xì)胞對(duì)人類(lèi)抵抗S.aureus感染至關(guān)重要［49］。S.aureus可通過(guò)其細(xì)胞壁肽聚糖乙酰化抑制抗原呈遞細(xì)胞表達(dá)Th17-極化細(xì)胞因子，有效阻斷溶菌酶介導(dǎo)的肽聚糖降解和模式識(shí)別分子模式釋放，通過(guò)抑制Th17細(xì)胞記憶反應(yīng)再次感染相同宿主［50-52］。

5 S.aureus毒素

S.aureus主要毒素可分為3類(lèi)：成孔毒素（PFTs）、剝脫性毒素（ETs）和SAgs。成孔毒素可進(jìn)一步分為4種類(lèi)型：α-溶血素（Hla或α-毒素）、β-溶血素、白細(xì)胞毒素（leukotoxin）和酚溶性調(diào)節(jié)蛋白（PSMs）。Hla是一種對(duì)紅細(xì)胞具有高度向性的成孔毒素，可破壞細(xì)胞膜完整性，并與LukE、D和HlgAB相互作用為S.aureus提供宿主的血紅蛋白，促進(jìn)其生長(zhǎng)。Hla還可與金屬蛋白酶10（ADAM10）結(jié)合，裂解宿主內(nèi)皮細(xì)胞和白細(xì)胞［53］。小鼠模型中，Hla可加重血管通透性和膿毒癥，這種通透性可能導(dǎo)致S.aureus從血液傳播至宿主組織。研究證明，Hla-ADAM10相互作用可在小鼠肥大細(xì)胞存在的情況下維持S.aureus存活，并破壞血小板功能和中性粒細(xì)胞信號(hào)［54-55］。β-溶血素對(duì)人角質(zhì)形成細(xì)胞、多形核白細(xì)胞、單核細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞具有細(xì)胞毒性，并抑制內(nèi)皮細(xì)胞IL-8表達(dá)，有助于S.aureus逃逸和誘導(dǎo)生物被膜形成［56］。Leukotoxin由2種不同的蛋白組成，組裝形成β-桶孔。目前，已從與人類(lèi)感染相關(guān)的S.aureus菌株中分離出4種雙組分白細(xì)胞毒素：殺白細(xì)胞毒素（PVL）、γ-溶血素（HlgA，HlgC，HlgB）、白細(xì)胞毒素ED（LukE、LukD）和白細(xì)胞毒素AB/GH（LukAB/LukGH）［57］。這些成孔毒素由分類(lèi)為“S”和“F”的2種不同蛋白組成，S-組分通過(guò)與細(xì)胞受體結(jié)合賦予細(xì)胞類(lèi)型特異性，F(xiàn)-組分二聚化誘導(dǎo)構(gòu)象改變，插入β桶跨膜通道之前發(fā)生低聚形成預(yù)孔。這4種白細(xì)胞毒素可溶解白細(xì)胞系細(xì)胞，殺滅中性粒細(xì)胞，促進(jìn)S.aureus在宿主內(nèi)存活［58］。PSMs是一種直接靶向宿主細(xì)胞的小分子肽，具有多種功能，包括促進(jìn)宿主細(xì)胞活化和細(xì)胞裂解，在微摩爾范圍內(nèi)，PSMs具有明顯殺傷中性粒細(xì)胞能力［59］。剝脫性毒素（ETs）也稱(chēng)表皮分解毒素，是S.aureus分泌的特異絲氨酸蛋白酶，通過(guò)識(shí)別并水解皮膚表層的細(xì)胞橋粒鈣黏蛋白誘導(dǎo)皮膚剝落和水皰形成［36］。目前，已知的主要ETs為剝脫性毒素A、B、C、D（ETA、ETB、ETC、ETD），其中，ETA和ETB與人類(lèi)皮膚損傷最為相關(guān)。SAgs可觸發(fā)T細(xì)胞產(chǎn)生大量促炎細(xì)胞因子（IL-2、IFN-γ和TNF），從而引起高燒、皮疹、脫屑、嘔吐、腹瀉和低血壓等癥狀，并可導(dǎo)致多器官衰竭［60］。

6 小結(jié)

S.aureus可產(chǎn)生大量免疫逃逸分子，通過(guò)破壞補(bǔ)體系統(tǒng)、阻止吞噬細(xì)胞發(fā)揮功能、逃避適應(yīng)性免疫及分泌多種毒力因子入侵宿主并在宿主內(nèi)生長(zhǎng)存活，僅通過(guò)開(kāi)發(fā)新的抗生素?zé)o法完全解決這一問(wèn)題。既往S.aureus疫苗研制的常規(guī)方法遵循引發(fā)特定抗體原則，但成功率較低。隨著研究發(fā)展，研究者越來(lái)越認(rèn)識(shí)到細(xì)胞介導(dǎo)免疫對(duì)于改善疫苗免疫保護(hù)作用的重要性。但S.aureus已進(jìn)化出復(fù)雜的策略逃避或抑制宿主免疫系統(tǒng)，其免疫逃避機(jī)制可能是免疫系統(tǒng)無(wú)法消除S.aureus的原因，對(duì)高效疫苗開(kāi)發(fā)構(gòu)成巨大障礙。S.aureus逃避機(jī)制的研究可增強(qiáng)研究者對(duì)S.aureus如何與宿主相互作用的基本理解，為S.aureus感染防治提供參考。