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弓形蟲與瘧原蟲入侵引起宿主細(xì)胞骨架重組相關(guān)GTP酶不同定位的觀察*

2012-09-26 02:55陳艾媛娜仁花彭鴻娟
中國人獸共患病學(xué)報(bào) 2012年12期
關(guān)鍵詞:細(xì)胞骨架原蟲瘧原蟲

陳艾媛,娜仁花,彭鴻娟,趙 亞

弓形蟲(Toxopl asma gondii)和瘧原蟲(Pl asmodiu m spp)的分類地位均屬于頂復(fù)門(Phyl u m Apico mplexa),孢子綱(Class Sporozoea),真球蟲目(Or der Eucoccidiida)[1]。頂復(fù)門原蟲都是通過與其質(zhì)膜相連的肌動蛋白-肌球蛋白馬達(dá),以主動入侵的方式侵入宿主細(xì)胞內(nèi),而不是被宿主細(xì)胞所攝取或吞噬[2]。兩種原蟲都以納蟲泡的形式在宿主細(xì)胞內(nèi)寄生并增殖,但是弓形蟲、瘧原蟲與宿主細(xì)胞之間的相互作用大部分并不十分清楚,兩者入侵細(xì)胞及納蟲泡膜形成的過程也各有不同的特點(diǎn)。

細(xì)菌、病毒等病原入侵宿主細(xì)胞后都伴隨有宿主細(xì)胞骨架重組的過程[3]。頂復(fù)門的原蟲包括隱孢子蟲(Cr yptosporidiu m par vu m)、弓形蟲、瘧原蟲入侵宿主細(xì)胞后都有引發(fā)宿主細(xì)胞骨架重組的現(xiàn)象:隱孢子蟲感染宿主細(xì)胞時誘導(dǎo)宿主肌動蛋白網(wǎng)絡(luò)形成片狀結(jié)構(gòu),將蟲體與宿主細(xì)胞質(zhì)分隔開來,從而形成一個細(xì)胞內(nèi)胞質(zhì)外的小室,并在小室中進(jìn)行增殖[4];弓形蟲速殖子和伯氏瘧原蟲裂殖子入侵宿主細(xì)胞后在“運(yùn)動連接(moving j unction)”處形成一個宿主細(xì)胞F-肌動蛋白環(huán),因而推測弓形蟲與瘧原蟲的入侵過程需要宿主細(xì)胞肌動蛋白的極化[2];弓形蟲的入侵激活宿主細(xì)胞微管和微絲等細(xì)胞骨架元件的重組[5],而在感染的晚期,弓形蟲啟用宿主細(xì)胞的微管形成管道結(jié)構(gòu)將宿主細(xì)胞器組分運(yùn)輸?shù)郊{蟲泡膜上[6];瘧原蟲感染紅細(xì)胞后,向紅細(xì)胞的胞質(zhì)中分泌蟲體蛋白,調(diào)控紅細(xì)胞骨架的重組[7-9]。

Rho GTP酶屬于Ras超家族的成員,其分子量一般在20~30 k D。Ras家族成員眾多,在哺乳動物中至少由14個亞族組成,其中最具代表性的為Rho(Ras ho mologous member)、Rac (ras-related C3 bot ulinu m toxin sub-strate)和 Cdc42 (cell division cycle 42)3個亞族。Rho GTP酶廣泛地調(diào)節(jié)細(xì)胞功能,許多調(diào)節(jié)是通過控制肌動蛋白極性來實(shí)現(xiàn)的。Rho GTP酶家族調(diào)節(jié)肌動蛋白骨架,微管動力學(xué),細(xì)胞極性和運(yùn)動性,小泡運(yùn)輸路徑以及細(xì)胞吸附、移動、增殖與生存[10-13]。在瘧原蟲入侵紅細(xì)胞時,Rac GTP酶是紅細(xì)胞骨架重組的動態(tài)調(diào)節(jié)因子[14]。肌動蛋白低聚體是紅細(xì)胞骨架重要的結(jié)構(gòu)組成部分,Rac1和Rac2調(diào)節(jié)肌動蛋白結(jié)構(gòu),在造血細(xì)胞中有許多重疊的和獨(dú)特的功能[14]。Rho A被發(fā)現(xiàn)存在于紅細(xì)胞的胞質(zhì)和膜上,而且高度親合性地結(jié)合于紅細(xì)胞膜的胞質(zhì)面上[15]。而在弓形蟲入侵宿主細(xì)胞時,Rho GTP酶調(diào)控宿主細(xì)胞骨架的重組卻未見文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。

為了解宿主細(xì)胞Rho GTP酶在弓形蟲與瘧原蟲這兩種原蟲入侵過程中對宿主細(xì)胞骨架重組所起的調(diào)控作用,本研究選取Rho GTP酶家族中的Rho A和Rac1作為靶標(biāo)蛋白,利用細(xì)胞免疫熒光的方法來檢測弓形蟲和瘧原蟲入侵宿主細(xì)胞后,宿主細(xì)胞Rho GTP酶在細(xì)胞內(nèi)的分布情況。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 細(xì)胞株、蟲株與實(shí)驗(yàn)動物 人呼吸道上皮細(xì)胞16-HBE購自上海復(fù)祥生物技術(shù)有限公司。SPF級KM鼠(18~22 g雌性鼠)購于南方醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動物中心。弓形蟲RH株為本實(shí)驗(yàn)室保存,接種于SPF級KM鼠腹腔中傳代。惡性瘧原蟲云南地理株由第四軍醫(yī)大學(xué)病原生物學(xué)教研室保存。

1.1.2 主要試劑 Trit on X-100、DAPI購于sigma公司;兔抗人Rac1和兔抗人Rho A單克隆抗體均購于 Cell Signaling公司;二抗 goat anti-rabbit Ig GFITC購于SANTA CRUZ公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 細(xì)胞爬片及涂片的制備

1.2.1.1 16-HBE細(xì)胞爬片制備及弓形蟲感染放置4片蓋玻片于六孔板內(nèi)其中四孔,將16-HBE細(xì)胞平均分到此四孔中,用DMEM+10%NBS培養(yǎng)基在37℃,5%CO2條件下培養(yǎng)至細(xì)胞覆蓋率達(dá)95%~100%,細(xì)胞長在蓋玻片上制備細(xì)胞爬片,方便下一步的免疫熒光實(shí)驗(yàn)操作與觀察。從KM鼠腹腔中抽取弓形蟲RH株速殖子,3 000×g離心5 min后棄掉上清液,加入4 m L DMEM完全培養(yǎng)基重懸蟲體,混勻后均勻加入四孔16-HBE細(xì)胞爬片的培養(yǎng)孔中,37℃5%CO2培養(yǎng)箱中侵染2 h。吸掉細(xì)胞培養(yǎng)基上清,并用PBS洗滌細(xì)胞3次,洗去未侵染的弓形蟲速殖子。

1.2.1.2 惡性瘧原蟲體外同步化培養(yǎng)和血涂片制備 惡性瘧原蟲復(fù)蘇和傳代培養(yǎng)參照Trager等的方法[16]進(jìn)行。簡述如下:以RPMI1640為基礎(chǔ)培養(yǎng)基,其中含有25 mmol/L HEPES,0.2%Na HCO和10%人血清,紅細(xì)胞壓積2%~5%,在5%CO2和37℃條件下培養(yǎng)。每天換液一次、每隔3天添加一次新鮮人紅細(xì)胞。選擇瘧原蟲環(huán)狀體較多的發(fā)育階段開始同步化培養(yǎng),待瘧原蟲同步化至成熟裂殖體為主且出現(xiàn)部分早期環(huán)狀體階段時,吸取適量懸浮紅細(xì)胞,離心,留取適量上清,重懸紅細(xì)胞制作薄血片,同時制作正常紅細(xì)胞薄血片為陰性對照。血片自然晾干,4℃預(yù)冷無水乙醇固定10 min,冷風(fēng)吹干,PAP筆劃分實(shí)驗(yàn)區(qū)域待用。

1.2.2 細(xì)胞免疫熒光實(shí)驗(yàn) 室溫條件下用多聚甲醛固定細(xì)胞爬片或紅細(xì)胞涂片10 min,PBS振蕩洗滌(5 min×3次),透化液(0.5%Tritonx-100,PBS稀釋)500μL覆蓋細(xì)胞后室溫靜置10 min。PBS振蕩洗滌(5 min×3次),封閉液(0.1%Triton X-100,用新生牛血清稀釋)500μL覆蓋細(xì)胞并在37℃下孵育1 h。棄去封閉液,加入500μL一抗(封閉液稀釋,稀釋度1∶500),37℃孵育3 h。棄一抗,PBS振蕩洗滌(5 min×3次)。加入500μL FITC標(biāo)記的二抗 (封閉液稀釋,稀釋度1∶300)37℃條件下避光孵育1 h。在陰性對照實(shí)驗(yàn)中,細(xì)胞不用一抗孵育,僅以FITC標(biāo)記的二抗(封閉液稀釋,稀釋度1∶300)孵育。以下過程均在避光條件下進(jìn)行,PBS振蕩洗滌(5 min×3次),10 n mol/L DAPI染色5 min,PBS振蕩洗滌(5 min×3次),用雙蒸水洗去玻片上的鹽分。將玻片避光置于濾紙上風(fēng)干,封片并在熒光顯微鏡下觀察。

2 結(jié) 果

在熒光顯微鏡下用FITC濾光片觀察可見,經(jīng)抗人Rac1和Rho A單抗及FITC標(biāo)記的二抗孵育后的16-HBE細(xì)胞內(nèi),在弓形蟲納蟲泡膜上有熒光的豐度聚集(見圖1-A和圖1-C,黃色箭頭所示);陰性對照實(shí)驗(yàn)中,只用FITC標(biāo)記的二抗與16-HBE細(xì)胞內(nèi)孵育,在弓形蟲納蟲泡膜上沒有熒光的豐度聚集(見圖1-E);而在未被侵染的16-HBE細(xì)胞中,只見Rho A和Rac1 GTP酶在細(xì)胞質(zhì)中的均勻分布(見圖1-B和圖1-D)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在弓形蟲入侵宿主細(xì)胞后,出現(xiàn)了宿主細(xì)胞的Rho A和Rac1 GTP酶聚集在弓形蟲納蟲泡膜上的現(xiàn)象。然而,在用抗人Rac1和Rho A單抗孵育后的被惡性瘧原蟲侵染的紅細(xì)胞中,瘧原蟲納蟲泡上沒有看到熒光的聚集(見圖2-A和圖2-C,黃色箭頭所示);而在未被侵染的紅細(xì)胞中只見Rho A和Rac1 GTP酶在紅細(xì)胞中均勻分布(見圖2-B和圖2-D)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示在被惡性瘧原蟲感染的紅細(xì)胞內(nèi)的納蟲泡膜上未出現(xiàn)Rho A和Rac1 GTP酶聚集的現(xiàn)象。

圖1 弓形蟲RH株速殖子侵染16-HBE細(xì)胞后抗Rho A、Rac1單抗免疫熒光檢測結(jié)果Fig.1 The immunofluorescence detection with anti-RhoA and anti-Rac1 mAb of 16-HBE cells infected with T.gondii RH tachyzoites

在綠色熒光顯微鏡下可見宿主細(xì)胞的Rho A和 Rac1 GTP酶在弓形蟲納蟲泡膜上的高豐度聚集(Fig 1-A,和 Fig 1-C,黃色箭頭所示),而在陰性對照實(shí)驗(yàn)組中,當(dāng)細(xì)胞只與FITC標(biāo)記的Ig G二抗孵育時,熒光沒有在納蟲泡膜上聚集的現(xiàn)象(Fig 1-B,和 Fig 1-D)。

在綠色熒光顯微鏡下可見紅細(xì)胞的Rho A和Rac1 GTP酶在惡性瘧原蟲(包括環(huán)狀體、未成熟裂殖體和成熟裂殖體等階段)納蟲泡膜上均沒有聚集(Fig 2-A,和 Fig 2-C,黃色箭頭所示),而在未被侵染的紅細(xì)胞中只見Rho A和Rac1 GTP酶在紅細(xì)胞中均勻分布(Fig 2-B,和 Fig 2-D)。

圖2 惡性瘧原蟲裂殖子侵染人紅細(xì)胞后抗Rho A、Rac1單抗免疫熒光檢測結(jié)果Fig.2 The i mmunofluorescence detection with anti-Rho A and anti-Rac1 mAb of human erythrocytes infected with Plasmodium f alcipar um mer ozoites

3 討 論

雖然弓形蟲與瘧原蟲均屬于頂復(fù)門的細(xì)胞內(nèi)原蟲,并以納蟲泡的形式在宿主細(xì)胞內(nèi)寄生并增殖,但是兩者入侵細(xì)胞及納蟲泡膜形成的過程卻各有不同的特點(diǎn)。弓形蟲對宿主細(xì)胞無特異的選擇性,幾乎可以感染所有的有核細(xì)胞。弓形蟲入侵宿主細(xì)胞的過程是主動入侵,弓形蟲以滑動的運(yùn)動方式靠近宿主細(xì)胞膜,其類錐體緊密粘附于宿主細(xì)胞膜并向前推進(jìn),弓形蟲棒狀體與前端表膜融合后釋放調(diào)控蛋白誘導(dǎo)宿主細(xì)胞表面形成絲狀偽足和通道輔助其入侵,同時宿主細(xì)胞膜向內(nèi)凹陷,蟲體通過類錐體端進(jìn)入細(xì)胞[17]。入侵部位的宿主細(xì)胞膜形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)壓縮包圍蟲體,入侵完成后宿主細(xì)胞膜封閉,納蟲泡形成[18-20]。在與宿主細(xì)胞的吸附過程中,弓形蟲分泌的微粒體蛋白和棒狀體頸蛋白形成的運(yùn)動連接(moving junction,MJ)[21-22]是弓形蟲吸附于宿主細(xì)胞的結(jié)構(gòu),且具有從納蟲泡膜中篩選宿主細(xì)胞膜組分的功能[23]。一些宿主細(xì)胞膜組分如與膜筏(membrane raft)、細(xì)胞骨架定位及分子多聚體形成相關(guān)的跨膜蛋白等,被迅速清除并在成熟的納蟲泡膜中消失,這些組分的排除可避免納蟲泡被內(nèi)膜系統(tǒng)融合[24],但許多膜脂卻被保留下來。納蟲泡外表面還與宿主細(xì)胞的細(xì)胞器如線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)緊密結(jié)合,這些細(xì)胞器的膜組分為納蟲泡的生長擴(kuò)大提供膜組分來源[18-19]。納蟲泡膜的組分中,大部分來源于宿主細(xì)胞膜,少數(shù)來源于宿主細(xì)胞質(zhì),還包括弓形蟲分泌的棒狀體蛋白、微粒體蛋白、致密顆粒蛋白[18-19]。由此,弓形蟲在入侵后在宿主細(xì)胞內(nèi)形成了一個非融合小室—納蟲泡包圍著蟲體,來抵抗宿主細(xì)胞內(nèi)涵體的酸化及溶酶體的融合作用,即防止被宿主細(xì)胞清除。

瘧原蟲裂殖子入侵紅細(xì)胞則具有高度的宿主特異性,這是因?yàn)榀懺x是以配體-受體結(jié)合的方式來識別紅細(xì)胞的[25]。瘧原蟲裂殖子入侵紅細(xì)胞的過程開始于裂殖子與紅細(xì)胞表面之間的微弱的吸附作用,是通過尚未鑒定的原蟲配體與紅細(xì)胞受體之間的相互作用,接著裂殖子的類錐體頂端與紅細(xì)胞表面緊密結(jié)合[26-27]。裂殖子觸發(fā)了與紅細(xì)胞之間“連接(junction)”的形成,該連接在電子顯微鏡下顯示為電子致密區(qū),存在于裂殖子類錐體的一端。此外,裂殖子分泌棒狀體蛋白進(jìn)入紅細(xì)胞,可能促進(jìn)入侵的過程[27-29]。裂殖子最終通過原蟲表面蛋白和原蟲的肌動蛋白-肌球蛋白馬達(dá)之間的相互作用,隨著該“連接”向紅細(xì)胞內(nèi)的移動而進(jìn)入紅細(xì)胞[30]。因此,該“連接”的形成及其與原蟲分子馬達(dá)之間的相互作用是入侵的關(guān)鍵步驟[31-32]。而納蟲泡是由紅細(xì)胞膜向細(xì)胞內(nèi)流動而形成,與原蟲進(jìn)入紅細(xì)胞的過程同步完成[29],在入侵過程結(jié)束的時候,“連接”部分的電子致密區(qū)成為納蟲泡的一部分包裹著剛?cè)肭值脑x[27]。

從弓形蟲與瘧原蟲入侵宿主細(xì)胞的過程和納蟲泡形成過程來看,兩者都具有很多的相同之處,如在入侵開始時,弓形蟲速殖子和瘧原蟲裂殖子入侵宿主細(xì)胞都形成一個特殊的結(jié)構(gòu)——“運(yùn)動連接(moving junction)”,并在該連接處形成一個宿主細(xì)胞F-肌動蛋白環(huán),激活宿主細(xì)胞骨架發(fā)生重組[2];此外,兩種原蟲納蟲泡膜的組分大部分是來源于宿主細(xì)胞膜,小部分來源于原蟲本身的分泌蛋白,而且還有一些來源于宿主細(xì)胞質(zhì)。

弓形蟲感染宿主細(xì)胞后,在納蟲泡膜上有宿主細(xì)胞Rho A與Rac1 GTP酶的聚集,這兩種宿主細(xì)胞的酶類被納入了弓形蟲的納蟲泡膜上的方式有可能包括以下三種:1、隨同宿主細(xì)胞膜一同被組成到納蟲泡膜上;2、通過擴(kuò)散作用,從宿主細(xì)胞質(zhì)中被組成到納蟲泡膜上;3、來源于與弓形蟲納蟲泡膜緊密結(jié)合且作為納蟲泡擴(kuò)大中主要膜成分來源的宿主細(xì)胞器如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體等。

盡管Rho AGTP酶被發(fā)現(xiàn)存在于紅細(xì)胞的胞質(zhì)和胞膜上,而且高度親合性地結(jié)合于紅細(xì)胞膜的胞質(zhì)面上[15],但是瘧原蟲納蟲胞膜上沒有發(fā)現(xiàn)Rho A和Rac1 GTP酶聚集,這個現(xiàn)象有可能說明:1、紅細(xì)胞膜上的Rho GTP酶并沒有在納蟲泡形成時隨著紅細(xì)胞膜被納入到納蟲泡膜上;2、細(xì)胞質(zhì)中的Rho GTP酶也沒有被組成到納蟲泡膜上;3、因?yàn)榧t細(xì)胞內(nèi)沒有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體等細(xì)胞器,因而也不可能通過膜融合的方式被組成到納蟲泡膜上。

盡管弓形蟲、瘧原蟲的入侵過程需要宿主細(xì)胞骨架發(fā)生重組,而細(xì)胞骨架的重組又是由Rho GTP酶家族所調(diào)控,但是這個過程的具體細(xì)節(jié)仍是未知。宿主細(xì)胞Rho GTP酶在弓形蟲速殖子與瘧原蟲裂殖子入侵宿主細(xì)胞時不同的分布現(xiàn)象,顯示這兩種原蟲通過不同的途徑來調(diào)節(jié)宿主細(xì)胞骨架重組。

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