一种具有去污剂样活性的人载脂蛋白通过杀伤细胞内病原体发挥作用

引言：在病原体与宿主的军备竞赛中，感染性微生物常逃逸细胞外防御机制，利用营养丰富的细胞内环境作为复制生态位。在人类中，干扰素-γ（IFN-γ）反应通过转录诱导数百个编码 putative 抗菌限制因子的干扰素刺激基因（ISGs），在大多数有核细胞中赋予广泛的病原体抵抗能力。值得注意的是，尽管IFN-γ对抵抗所有分类学类别的细胞内病原体至关重要，但该细胞因子引发的许多限制因子及其分子活性仍待表征。原理：IFN-γ于1983年被鉴定为主要的人类巨噬细胞激活细胞因子，实际上可转录重编程众多宿主细胞类型以清除感染。这包括非免疫上皮细胞群体，它们缺乏归因于IFN-γ刺激的许多传统吞噬防御，但仍能启动保护性细胞自主免疫反应。为了寻找参与保护黏膜和屏障组织类型的ISG效应分子，我们在IFN-γ激活的人上皮细胞中进行了全基因组CRISPR-Cas9筛选，以检测其限制毒力细胞内病原体（如肠道沙门氏菌鼠伤寒血清型）的能力。结果：我们鉴定出ISG载脂蛋白L3（APOL3）是一种能够杀伤胞质侵袭性细菌的有效效应蛋白。人类APOL家族是一个由六个基因组成的簇，在猿类灵长动物中受正选择快速进化；然而，除了 founding member APOL1——一种分泌型细胞外蛋白，形成人血清的锥虫溶解因子——细胞内APOL家族成员的功能尚不清楚。经基因工程改造缺乏APOL3的人细胞在IFN-γ激活后未能控制多种胞质侵袭性革兰阴性菌的复制。这些发现在人原代肠上皮细胞、肠肌成纤维细胞和微静脉内皮中得到验证——所有这些细胞靶标通常不被认为是免疫系统的一部分。我们通过活细胞显微镜追踪APOL3，发现它迅速重新定位到胞质暴露的细菌，而其他APOL家族成员则没有。超分辨成像、生物工程报告基因和无细胞重构相结合揭示，当APOL3在IFN-γ激活的细胞内靶向病原体时，它对细菌内膜（IM）造成致命损伤。在这里，APOL3与其他ISG编码蛋白（包括鸟苷酸结合蛋白1（GBP1））协同作用，后者扰动细菌O-抗原外膜（OM）通透性屏障，使APOL3能够接触下方的IM。使用一组组成不同的脂质体靶标，我们发现APOL3对微生物膜而非宿主内膜的膜溶解活性源于其能够将缺乏胆固醇的细菌多阴离子脂质底物溶解为盘状脂蛋白复合物；单颗粒冷冻电镜发现这些复合物类似于载脂蛋白支架“纳米圆盘”。通过天然质谱在活细菌中证实这些发现，我们发现APOL3在从IM提取脂质后从部分无序的无脂状态转变为紧密折叠的脂蛋白纳米圆盘——这一过程导致细菌快速死亡。结论：去污剂是用于净化被致命病原体污染表面的高效抗菌剂。我们的结果鉴定APOL3是一种IFN-γ刺激的宿主防御蛋白，已进化出强大的去污剂样活性，在人细胞胞质中赋予杀菌保护。APOL3与其他宿主ISGs协同，对革兰阴性菌的双膜——赋予对许多类别抗生素抗性的强大屏障——发起多管齐下的攻击。这项研究揭示，在感染期间 dismantle 该屏障的抗菌剂天然存在于人细胞内。这些药剂编码于IFN-γ诱导型防御程序内，强化了这一强大抗菌网络对人类细胞自主免疫的重要性。