《Veterinary Microbiology》:Salmonella virulence factor sptP activates the NLRP3/Caspase-1 pathway to induce pyroptosis and exacerbate intestinal injury in chicks
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本研究揭示了沙門氏菌腸炎血清型(SE)關鍵毒力因子sptP通過激活宿主NLRP3/Caspase-1炎性小體通路,驅動Gasdermin D(GSDMD)介導的細胞焦亡和促炎因子IL-1β/IL-18釋放,從而加劇腸道病理損傷的新機制。研究人員利用CRISPR/Cas9技術構建sptP基因敲除株(sptP-),并結合NLRP3特異性抑制劑MCC950進行動物實驗,證實sptP是SE致病性的關鍵上游調控因子。該發現為理解SE致病機制及開發靶向干預策略提供了新視角。
沙門氏菌腸炎血清型(Salmonella enterica serovar Enteritidis, SE)是全球范圍內重要的食源性病原體,不僅給人類公共衛生帶來沉重負擔,也給畜牧業造成巨大經濟損失。傳統的SE致病機制研究多集中于其對細胞骨架和緊密連接的影響,然而,其毒力因子如何精細調控宿主關鍵的天然免疫通路——特別是炎性小體(inflammasome)的活化,仍是一個亟待闡明的“黑箱”。其中,由III型分泌系統(Type III Secretion System, T3SS)分泌的關鍵效應蛋白SptP,雖已知其在促進細菌入侵和早期免疫抑制中發揮作用,但其是否以及如何調控被稱為“炎癥放大器”的NLRP3炎性小體,進而導致特征性的腸道組織損傷,此前完全未知。
針對這一知識空白,昆明大學張博、李可等研究人員在《Veterinary Microbiology》上發表論文,提出了一個核心科學假設:SE效應蛋白SptP通過激活宿主NLRP3/Caspase-1炎性小體通路,誘導細胞焦亡(pyroptosis)和炎癥因子風暴,從而加劇腸道病理損傷。為了驗證該假說,研究團隊進行了一項設計嚴謹、多層次驗證的實驗。
研究人員主要運用了以下幾項關鍵技術方法:首先,利用CRISPR/Cas9基因編輯技術精準構建了SE的sptP基因敲除株(sptP-),并驗證其遺傳穩定性。其次,建立了15日齡SPF雛雞感染模型,設置野生型SE(sptP+)感染組、sptP-突變株感染組、sptP+聯合NLRP3抑制劑MCC950預處理組、sptP-聯合MCC950預處理組以及PBS對照組。最后,綜合運用組織病理學評分與髓過氧化物酶(MPO)活性檢測、蛋白質印跡法(Western blot)分析炎性小體關鍵蛋白(pro-caspase-1, cleaved-caspase-1, GSDMD, GSDMD-N)表達、酶聯免疫吸附試驗(ELISA)和逆轉錄聚合酶鏈式反應(RT-PCR)檢測細胞因子(IL-1β, IL-18)水平、乳酸脫氫酶(LDH)釋放試驗評估細胞焦亡程度,以及平板計數法測定腸道和脾臟細菌載量。
3.3. SptP是腸炎沙門氏菌誘導體內腸道病理的關鍵毒力因子
組織病理學分析顯示,sptP+SE感染可引起雛雞回腸嚴重的黏膜糜爛、固有層結構破壞和大量炎性細胞浸潤,病理評分顯著升高。與之相比,sptP-突變株感染組的腸道損傷明顯減輕,炎性細胞浸潤減少,MPO活性也顯著降低。這表明SptP蛋白是SE引起體內腸道組織損傷所必需的。
3.4. SptP是沙門氏菌誘導NLRP3炎性小體激活和細胞焦亡的關鍵因子
在分子機制層面,sptP+SE感染顯著提高了回腸組織中LDH的釋放率,表明細胞焦亡水平升高。Western blot結果進一步顯示,sptP+組中活化的caspase-1(cleaved-caspase-1)及其下游底物GSDMD的N端片段(GSDMD-N)的蛋白表達水平均顯著高于sptP-組。同時,sptP+組回腸組織中成熟IL-1β和IL-18的蛋白濃度及其mRNA表達水平也顯著上調。這些結果證明,SptP能有效激活NLRP3/Caspase-1通路,導致炎性因子成熟和細胞焦亡。
3.5. SptP介導的沙門氏菌致病性依賴于NLRP3炎性小體的激活
為確認SptP的作用依賴于NLRP3,研究使用了特異性抑制劑MCC950。結果顯示,MCC950預處理能顯著減輕sptP+SE感染引起的腸道病理損傷、降低MPO活性、抑制caspase-1和GSDMD的切割、減少IL-1β/IL-18的釋放。然而,MCC950對sptP-突變株感染組的上述指標均無顯著影響。這一關鍵實驗證明,SptP位于NLRP3的上游,其促炎和致損傷效應主要通過激活NLRP3/Caspase-1信號軸實現。
3.6. SptP-NLRP3軸主要介導免疫病理損傷而非細菌清除
為了排除細菌定植差異的干擾,研究檢測了各組雛雞回腸和脾臟的細菌載量。發現在感染后12、24、36和48小時,sptP+、sptP-、sptP++MCC950和sptP-+MCC950四組間的細菌載量均無顯著差異。這表明SptP通過NLRP3通路主要加劇了宿主的免疫病理損傷,而非直接影響細菌的清除能力。
綜上所述,本研究首次闡明沙門氏菌效應蛋白SptP是激活宿主NLRP3/Caspase-1炎性小體通路的關鍵毒力因子。SptP通過該通路觸發Gasdermin D介導的細胞焦亡和IL-1β/IL-18的過量釋放,從而導致嚴重的腸道損傷。這一發現不僅填補了sptP調控炎性小體活化這一領域的知識空白,揭示了SE致病機制的新環節,也為未來開發針對沙門氏菌感染、以干預特定毒力因子或其下游炎癥通路為策略的新型治療方法提供了重要的理論依據和潛在的靶點。