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Research Progress on Mycoplasma Lipoprotein and Its Variation Interaction with Host

支原体脂蛋白及其变异与宿主互作研究进展



全 文 :·综述与专论· 2013年第2期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
支原体是简单的可自我复制的最小生物体,基
因组简单,缺乏某些代谢途径。支原体的种类较多,
有 80 多个种属[1],很多都可以感染人和动物,造
成慢性感染性疾病,一般不致死。除少数支原体可
胞内寄生外,绝大部分支原体以胞外寄生方式生活,
一般主要寄生于宿主的呼吸道及泌尿生殖道。支原
体没有细胞壁,仅有一层细胞膜将胞质和外界相隔
离,胞膜中含有丰富的脂蛋白,称为脂质相关膜蛋
白(lipid associated membrane proteins,LAMPs),具
有疏水性,可特异性的溶于 Triton X-114[4]。大部分
收稿日期 :2012-09-03
基金项目 :国家自然科学基金项目(31100135),江苏省农业自主创新基金[CX(11)4038]
作者简介 :倪博,女,硕士研究生,研究方向 :动物疫病防控 ;E-mail :nanjingnibo@163.com
通讯作者 :邵国青,男,博士,研究员,研究方向 :家畜重大疫病防控 ;E-mail :84391973@163.com
支原体脂蛋白及其变异与宿主互作研究进展
倪博1,2  白方方1  刘茂军1  冯志新1  熊祺琰1  魏建忠2  邵国青1
(1. 江苏省农业科学院兽医研究所 农业部兽用生物制品工程技术重点实验室 国家兽用生物制品工程技术研究中心,南京 210014 ;
2. 安徽农业大学动物科技学院,合肥 230036)
摘 要 : 脂蛋白是支原体的重要结构,在支原体与宿主间的互作中有重要作用,近些年越来越多的报道指出脂蛋白在支原
体毒力及致病性中占有重要地位。介绍支原体脂蛋白的特性和功能,黏附作用,致炎性反应和诱导细胞凋亡的作用。进一步阐述
脂蛋白在基因家族的调控下通过 ON/OFF 开关、大小变异、结构重组、基因水平转移及抗原调节等发生抗原�相位变异的机制,
以及脂蛋白变异在支原体致病力方面的影响和重要生物学意义。
关键词 : 支原体 脂蛋白 抗原变异 表面多样化
Research Progress on Mycoplasma Lipoprotein and Its Variation
Interaction with Host
Ni Bo1,2 Bai Fangfang1 Liu Maojun1 Feng Zhixin1 Xiong Qiyan1 Wei Jianzhong2 Shao Guoqing1
(1. Institute of Veterinary Medicine,Jiangsu Academy of Agricultural Sciences,Key Laboratory of Veterinary Biological Engineering and
Technology,Ministry of Agriculture·National Center for Engineering Research of Veterinary Bio-products,Nanjing 210014 ;2. College of
Animal Science,Anhui Agricultural University,Hefei 230036)
Abstract:  Lipoproteins are significant structural of mycoplasma, which play an important role in the interactions with host. In recent
years there have been many reports proved that lipoproteins may be importantly contributing in the pathogenesis of mycoplasma. In this article
describes the characteristic and function of lipoproteins, the role in adherence, the ability leading to inflammatory response and cell apoptosis.
Moreover have a review about phase and antigenic variation under the regulation of gene families through ON/OFF molecular switches, size
variation, domain shuffling, horizontal gene transfer, and mycoplasmal antigen modulation. As well as the effect of variation of lipoproteins in
virulence and the biological significance of diverse surface of mycoplasma also included.
Key words:  Mycoplasma Lipoproteins Antigenic variation Surface diversity
支原体脂蛋白都暴露在外,一些脂蛋白的功能与革
兰氏阴性菌的胞浆蛋白相同,具有毒力作用或者是
抗体的作用靶位[5,6]。脂蛋白是一类含有脂质的膜
蛋白,N 端含有二酰 / 三酰甘油半胱氨酸结构,由
此锚定于宿主细胞膜上,具有抗原性,并能以高频
率发生相位、抗原变异,形成多样化的支原体表面。
许多编码脂蛋白的基因包含在 ABC 转运蛋白的
操纵子内,ABC 转运蛋白涉及营养摄取、细胞黏附
及 ATP 的分解。如人型支原体(Mycoplasma homi-
nis)的特征性 ABC 转运蛋白家族脂蛋白 OppA[7]是
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第2期50
一种短肽聚合蛋白,有黏附性,具有强 ATP 酶活
性,并且可以诱导细胞凋亡[8]。鸡毒支原体(M.gall-
isepticum)的 MslA 是一种具有免疫原性的脂蛋白,
有毒力作用,在强弱毒株中的表达不同[5]。
随着分子生物学的发展,人们利用基因组学和
蛋白质组学技术对支原体有了更深的了解[2,3],但
是支原体的毒力和致病机制还尚未阐明。近几年,
越来越多的研究指出支原体的脂蛋白在其致病机制
中发挥了重要作用。
1 支原体脂蛋白在免疫反应中发挥重要作用
支原体膜中丰富的脂蛋白,在天然免疫和感染
初期有重要作用[9]。Toll 样受体(toll-like receptor,
TLR)1、2 和 6 是脂蛋白的受体,在免疫反应中介
导各种重要通路的活化[10]。脂蛋白可以通过多种机
制与宿主发生作用并引发宿主细胞损伤,如脂蛋白
可以刺激细胞产生前炎性因子、细胞因子、NO 等 ;
下调炎症反应,使宿主没有表现出明显的临床特征;
逃避宿主免疫系统的监视,使其能在宿主细胞中长
期生存 ;具有细胞毒性,可以使宿主细胞发生坏死
或凋亡 ;在艾滋病的发病过程中起辅助或促进的作
用等。
1.1 支原体脂蛋白致炎性反应
由于缺乏 N-酰基转移酶,大部分支原体脂蛋白
是双酰基的,支原体脂蛋白的这种特殊结构可以强
烈刺激巨噬细胞[10]。近期发现,生殖支原体(M.
genitalium)中也存在三酰基脂蛋白 MG149,同样可
以通过 TLR1 和 TLR2 介导激活 NF-κB 引起炎症反
应[11]。在低 -GC 含量革兰氏阳性菌和支原体中还发
现一种新型结构的脂蛋白,共两种形式,一种含有 N-
酰基 -S-单酰基 -丙三基 -半胱氨酸,被命名为 lyso 结
构,通过 TLR2/6 受体可以诱导前炎症因子的产生 ;
另一种脂蛋白含有特殊酰基,称为 N-乙酰基脂蛋白,
同样可以诱导前炎症因子产生[12]。
猪肺炎支原体作用于小鼠巨噬细胞 MH-S 和
RAW264.7,可以引发 MAPK(mitogen-activated pro-
tein kinases,MAPK)信号转导通路的三级激酶级联
反应,其中 MAPK 的 3 个信号转导通路均被激活,
包括细胞外调节蛋白激酶 ERK(extracellular signal-
regulated kinases,ERK)通路、p38 通路及 JNK/SA-
PK(Jun N-terminal kinases/stress-activated protein,
JNK/SAPK)通路,产生一系列活化传递信号[13]。此
外, 还 激 活 NF-κB(nuclear factor kappa B,NF-κB)
通路,诱导细胞大量产生 NO、细胞色素 C(cytochrome
C,Cyt C)及 TNF-α、IL-1β 和 IL-6[14]。这些炎性产
物可以间接促进细胞发生凋亡。
1.2 支原体脂蛋白诱导细胞凋亡
支原体脂蛋白诱发细胞凋亡首次发现于发酵
支 原 体(M. fermentans)。 发 酵 支 原 体 的 脂 蛋 白 通
过 TLR2 可以介导淋巴细胞、单核巨噬细胞发生
凋亡,其中 caspase-3 和 caspase-8 起重要的调节作
用[15]。随后发现 TLR6 受体同样可以介导细胞凋
亡,并可以激活核因子 NF-κB,其中涉及髓样分化
因 子 MyD88(myeloid differentiation factor88) 与 Fas
相 关 死 亡 域 蛋 白 FADD(Fas-associated with death
domain protein)[16]。这其中促分裂素原活化蛋白激
酶 p38 MAPK 及上游的细胞凋亡信号调节激酶 ASK1
(apoptosis signal-regulating kinase 1)激活下游通路的
核因子 NF-κB 和转录因子激活蛋白 AP-1(activating
protein-1)[17]。
此外,生殖支原体的脂蛋白 LPS 可以刺激人单
核细胞 THP-1 产生炎性细胞因子 TNF-α、IL-1β 及
IL-6,并激活 NF-κB 诱导细胞发生凋亡[18]。穿透支
原体 LAMPs 可以通过激活 NF-κB 诱导小鼠巨噬细胞
发生凋亡[19]。支原体脂蛋白的这种致凋亡能力很可
能是支原体致病性的重要组成部分。
本研究发现,猪肺炎支原体的 LAMPs 可以引起
猪肺泡上皮细胞 SJPL 及猪肺泡巨噬细胞 3D4-21 发
生凋亡,可以观察到细胞染色体皱缩,并产生凋亡
小体,还需进一步检测凋亡通路相关指标,以此来
确定 LAMPs 致凋亡的机制。
2 支原体脂蛋白的变异
由于支原体采取寄生方式生活,它们需要躲避
或是破坏宿主的免疫防御系统来适应宿主。支原体
的基因组中存在很多编码脂蛋白的基因家族及相关
的变异调控机制,通过随机的发生相位 - 抗原变异,
形成多样化的支原体表面,以此来躲避宿主免疫[20]。
主要变异机制有 ON/OFF 分子开关、大小变异、结
构重组及基因水平转移等(表 1)。
2013年第2期 51倪博等 :支原体脂蛋白及其变异与宿主互作研究进展
2.1 ON/OFF分子开关
目前已发现 3 种影响关键基因表达的 ON/OFF
分子开关。一种是天然变异,在基因易变区内插入
或删除核苷酸,发生 DNA 滑链。如猪鼻支原体 vlp
基因,只有当启动子部分的 poly A 长度为 17 bp 时,
下游 vlp 基因才开始翻译,插入或者删除任一核苷酸
都导致翻译的停止[21]。第二种方式是重组变异,通
过识别特殊位点的重组酶进行 DNA 重组。如牛支原
体(M.bovis)、肺炎支原体和无乳支原体(M.agalactiae)
的 vsp,vsa 和 vpma 基因都含有一个特异位点重组酶,
由这个重组酶代替原先的有效启动子[22-24]。
此外,还有一种基于启动子倒置的基因重组,
如穿透支原体的 mlp 基因通过倒置启动子启动 ON/
OFF 开关的表达[25]。
2.2 大小变异
无乳支原体 5 632 株理论上可表达 91 种不同的
Vpma 表面结构[24],标准株 PG2 仅能表达 6 种。通
过插入或删除重复序列所引起的 vpma 大小变异可以
改变支原体表面结构。
2.3 结构重组
最近,人们在鸡滑液支原体(M.synoviae)和生
殖支原体中发现第 3 种基因变异机制 - 结构重组,
变异的频率更高。滑液支原体 vlhA 家族由单个 vlhA
基因和一些缺少 5 末端序列的假基因组成。vlhA 功
能片段与假基因、假基因的复制产物以及所表达的
各种缺失片段之间发生重组,形成大量变异的抗
原[26]。生殖支原体的基因组中包含多个 MgPar 重
复区域,其中 MgPar 域与 mgpB、mgpC 为同源体,
mgpB、mgpC 编码具有免疫原性的黏附蛋白,mgpB、
mgpC 及 MgPar 之间的重组,可以产生高频率的抗原
变异[27]。
2.4 基因水平转移
随着越来越多全基因组序列的获得,人们发
现,在支原体之间存在大量基因水平转移(horizontal
gene transfer,HGT)[28]。基因水平转移是指在不同
的生物个体之间,或单个细胞内部细胞器之间所进
行的遗传物质的交换,是相对于垂直基因转移(亲
代到子代)而提出的。首次在鸡滑液支原体和鸡毒
支原体之间发现,这两个菌株的亲缘关系较远,但
编码血凝素的基因可以从鸡毒支原体基因组平移到
鸡滑液支原体的基因组中。将两个支原体的全基因
组进行对比,发现滑液支原体中也有大量基因家族
发生水平基因转移至鸡毒支原体,发生转移的包括
血凝素基因家族,ABC 转运蛋白操纵子,信号肽酶 I,
唾液酶基因和甘油 3 磷酸脱氢酶基因[29]。
在许多支原体基因组中都存在完整的或部分
表 1 调控支原体表面相位 - 抗原变异的主要机制
变异类型 基因事件 支原体类型(基因家族) 参考文献
ON/OFF 开关
启动子区域单核苷酸相关的 DNA 滑链
猪鼻支原体(vlp) [22]
鸡滑液支原体(vlhA) [27]
特殊位点重组(基因重组)
肺炎支原体(vsa) [24]
牛支原体(vsp) [23]
无乳支原体(vpma) [25]
特殊位点重组(启动子倒置) 穿透支原体(mlp) [26]
大小变异 编码序列内小片段重复引起的 DNA 滑链
无乳支原体(vpma) [25]
猪鼻支原体(vlp) [22]
肺炎支原体(vsa) [24]
牛支原体(vsp) [23]
结构域重组
基因变化(单向的) 鸡滑液支原体(vlhA) [27]
相互重组 生殖支原体(mgp) [28]
DNA 重组
无乳支原体(vpma) [25]
牛支原体(vsp) [23]
基因水平转移 基因转移 鸡滑液支原体与鸡毒支原体之间 [29,30]
其他 支原体抗原调节 运动支原体(mvsps) [33]
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第2期52
的 基 因 转 座 酶 接 合 元 件 ICEs(integrative conjugal
elements,ICEs)[无乳支原体、牛支原体、山羊支
原体(M.capricolum)、结膜支原体(M.conjunctivae)、
发 酵 支 原 体、 肺 炎 支 原 体、 丝 状 支 原 体(M.
mycoides)],这个接合部位很可能是基因水平转移的
通道[30]。
感染同一宿主的不同支原体之间可能会发生基
因交换,由于转移的大部分基因都是编码膜蛋白和
脂蛋白的序列,基因水平转移可能是支原体获得毒
力、致病力的重要途径[31]。
2.5 支原体抗原调节
在运动支原体(M.mobile)的脂蛋白中出现了
一种新的表面变异 - 支原体抗原调节(Mycoplasmal
antigen modulation)[32]。运动支原体的脂蛋白 Mvsps
可发生相位变异和抗原变异。有研究表明,Mvsps
和 抗 体 间 的 结 合 是 特 异 的, 由 抗 体 结 合 引 起 的
Mvsps 减少,证明存在一种新型的支原体表面变异,
该研究将之称为“支原体抗原调节”。
3 支原体脂蛋白变异对支原体的影响
3.1 支原体脂蛋白变异对细胞黏附的影响
支原体的致病机理复杂,包括引起疾病的发生
和影响整个宿主健康状况两个方面。脂蛋白介导的
黏附在其致病机理中发挥重要作用,其中肺炎支原
体的末端结构黏附最为典型[33]。肺炎支原体 Vsa 蛋
白是一个可发生大小 - 相位变异的脂蛋白家族,在
补体反应中是肺炎支原体的防护盾,并且可以促进
肺炎支原体黏附于非生物膜上。有研究指出表达长
串重复的 Vsa 的支原体对小鼠 MLE-12 细胞的黏附
性较弱,而表达短 Vsa 的黏附性强[34]。
3.2 支原体脂蛋白变异对免疫调节的影响
鼠肺炎支原体(M. pilmonis)的表面脂蛋白 Vsa
的长度对补体相关免疫反应的敏感性有影响。长
Vsa 中含有 40 个重复序列,对补体有抵抗力 ;短
Vsa 仅有 5 个,甚至更少的重复序列,对补体十分
敏感。同时,Vsa 的大小还可以调节鼠肺炎支原体
表面糖蛋白 EPS-I 的亲和力,表达短 Vsa 脂蛋白的
支原体表面上 EPS-I 的数量较多,对补体反应敏感。
但是本身缺乏 EPS-I,同时表达长 Vsa 脂蛋白的突变
体对补体反应也很敏感。因此,EPS-I 和 Vsa 均可调
节支原体对补体反应的敏感性[35]。
3.3 支原体脂蛋白变异对细胞生理功能影响
猪鼻支原体是细胞系中常见的污染病原,可
以影响细胞正常的新陈代谢。猪鼻支原体的脂蛋白
LPP 可以通过激活 NF-κB 通路上调神经瘤细胞 SH-
SY5Y 钙蛋白酶抑制蛋白(普遍存在的 Ca2+ 依赖蛋
白酶,钙蛋白酶内源性抑制剂)的表达[36]。钙蛋白
酶抑制蛋白是细胞内非炎性蛋白,显著影响细胞正
常的生理功能。
3.4 支原体脂蛋白变异对致病力的影响
发酵支原体的主要特异性抗原 - 糖甘油磷脂
GGPL-III 是一种含胆碱磷酸的氨基糖甘油磷脂,能
发生抗原变异[37]。单独的 GGPL-III 并不致病,但
能加剧一些慢性疾病中的炎症反应。GGPL-III 可以
加重小鼠关节炎和 Ni 过敏症。发酵支原体的脂蛋白
在一些慢性疾病中可能存在重要的致病作用。
4 支原体表面多样化的生物学意义
支原体可变异的蛋白大部分是暴露于表面的脂
蛋白,由多基因家族编码,可以引起宿主强烈的免
疫反应。通过基因突变和各种基因变化,使支原体
形成多样化表面。这些可多样化变异的表面蛋白与
宿主间相互作用关系密切,通过修改或除去一些固
有元件,迅速的改变支原体表面结构,为支原体提
供了一种防御机制。脂蛋白家族通过变异,选择性
的调节支原体表面与宿主细胞、环境间的相互作用,
帮助支原体躲避宿主的特异性免疫防御[38]。
5 总结
支原体的种类众多,可感染的宿主群也很广泛,
即使存在特异性免疫应答,支原体也可引起慢性感
染。这些持续性感染说明支原体和宿主间的相互作
用远比预想的要复杂的多。由于没有细胞壁,支原
体表面的脂蛋白在与宿主的相互作用中发挥了重要
作用。
支原体通过一系列精密的基因变化迅速改变膜
结构是它们成功寄生于宿主的主要原因。这些复杂
的基因变异可以影响支脂蛋白的表达及结构,发生
相位变异和抗原变异形成了多样化的支原体表面,
帮助支原体躲避宿主的免疫应答,同时这也可能是
阻碍疫苗产生保护力的原因之一,导致针对支原体
2013年第2期 53倪博等 :支原体脂蛋白及其变异与宿主互作研究进展
的疫苗在实际生产中效果不佳。
脂蛋白在支原体结构中有重要作用,脂蛋白的
结构、性质、相位 - 抗原变异及水平基因转移等变
异,在支原体毒力及致病性中也占有重要作用。对
其在支原体毒力、致病性中作用的大小及其作用机
制,以及宿主对支原体的变异是否存在选择性作用
等未知问题,还需进一步探索。这些领域的进一步
研究将有助于阐明支原体的致病机制。
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(责任编辑 狄艳红)