《Nature Communications》：A pore-forming toxin initiates ABI1 complex switching to promote bacterial cell-to-cell spread
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【编辑推荐】单核细胞增生李斯特菌如何高效地在宿主细胞间扩散是其致病的关键。本研究聚焦于宿主因子ABI1，揭示了细菌穿孔毒素LLO通过触发钙离子内流激活calpain，切割血影蛋白骨架，驱动ABI1与EPS8结合，从而通过调节肌动蛋白成帽活性促进细菌突出物形成和细胞间传播的新机制。这为理解细菌操控宿主细胞骨架实现传播提供了新视角。
在微观的细胞世界里，细菌与宿主之间的“军备竞赛”从未停歇。单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes， Lm）是一种典型的胞内细菌病原体，它拥有一种令人惊叹的本领：不仅能侵入宿主细胞，还能“策反”宿主细胞自身的动力系统，驱动自己在细胞内运动，甚至将自己从一个细胞“传递”到邻近的另一个细胞，从而实现高效传播和扩散。这种被称为细胞间传播的过程，是Lm成功感染宿主、引发疾病的关键。细菌利用自身表达的ActA蛋白，在宿主细胞质中启动一个名为ARP2/3的复合物，从而驱动基于肌动蛋白（actin）的运动。运动的细菌会在细胞表面形成一种叫做“细菌突出物”（Lm-containing protrusions）的结构，这就像一个细菌举着一把由宿主细胞膜和细胞骨架构成的“伞”，刺入相邻细胞，完成“入侵”的交接。然而，这个突出物的形成并非被动或随机的，而是一个主动且受到精细空间调控的过程。长期以来，一个核心谜团悬而未决：Lm究竟是如何精确协调细菌自身的因子和宿主细胞的多种因子，来精心“编排”突出物形成这场大戏的？特别是，宿主细胞自身有哪些未知的“演员”和“剧本”被细菌所利用？为了回答这个根本问题，研究人员展开了一项深入的研究。
研究人员采用了遗传学、细胞生物学、生物化学和感染模型等多种技术手段来探究Lm细胞间传播的机制。在细胞生物学层面，运用了高分辨率活细胞成像、延时摄影来观察细菌运动、突出物形成和细胞间传播的动态过程。在分子机制研究中，利用了条件性基因敲除小鼠模型（针对宿主基因Abi1）来在体评估宿主因子在感染中的作用，同时结合了针对细菌actA基因的缺失突变体进行功能验证。在生化机制解析上，采用了免疫共沉淀、蛋白质印迹、质谱分析来确定蛋白质间的相互作用和复合体转换。此外，还运用了钙离子成像来监测穿孔毒素引发的细胞内钙信号，以及使用了特定的蛋白酶抑制剂来验证calpain的活性作用。关键实验技术还包括利用小分子药物或遗传手段操控特定宿主蛋白（如ABI1， EPS8）的功能，以明确其在传播通路中的必要性。
研究结果
ABI1是Lm突出物形成和细胞间传播所必需的宿主因子**
研究人员首先通过筛选，发现宿主蛋白Abelson-interactor 1 (ABI1) 是Lm高效形成突出物并在细胞间传播的关键。在细胞实验中，降低ABI1的表达会显著损害Lm突出物的形成效率。更重要的是，在动物水平上，在条件性敲除Abi1基因的小鼠中，小鼠对Lm感染的易感性显著降低，表明ABI1在体内感染过程中扮演着重要角色。有趣的是，当感染缺失actA基因的Lm突变菌株时，Abi1敲除带来的保护作用消失了，这证明ABI1的作用依赖于细菌的肌动蛋白聚合机制，将宿主因子ABI1与细菌的致病因子ActA的功能联系了起来。
Lm感染诱导ABI1发生“复合体转换”
在正常情况下，ABI1与细胞皮层（cell cortex）的血影蛋白（spectrin）细胞骨架网络结合。然而，在Lm感染过程中，研究人员观察到一个关键现象：在细菌形成的突出物内部，ABI1脱离了与血影蛋白的结合，转而与另一个蛋白EPS8相结合。这种从“ABI1-血影蛋白”复合体到“ABI1-EPS8”复合体的动态变化，被定义为“ABI1复合体转换”。这种转换具有空间特异性，主要发生在细菌突出物这一局部区域。
穿孔毒素LLO通过钙离子信号和calpain激活触发ABI1的动员
那么，细菌是如何启动这一宿主复合体转换的呢？研究指出，启动这一过程的“扳机”是Lm分泌的一种关键毒力因子——李斯特菌溶血素O（listeriolysin O， LLO），它是一种穿孔毒素（pore-forming toxin）。LLO会在宿主细胞的质膜上打孔，导致细胞外钙离子（Ca2+）大量内流。涌入的钙离子会激活一种钙离子依赖的半胱氨酸蛋白酶——calpain。活化的calpain会切割血影蛋白，破坏其细胞骨架结构。正是血影蛋白的断裂，将原本被“锚定”在细胞皮层的ABI1释放（或动员）出来，使其得以自由迁移并与EPS8结合。
ABI1-EPS8复合体通过调节肌动蛋白成帽活性促进突出物伸长
被动员的ABI1与EPS8结合后，其功能后果是什么？EPS8是一种肌动蛋白成帽蛋白（actin capping protein），它能结合在肌动蛋白纤维（filament）的末端，调控肌动蛋白的动态组装与去组装。研究发现，ABI1与EPS8的结合，激活了EPS8的肌动蛋白成帽活性。在细菌突出物尖端，这种局部激活的成帽活性对于高效的肌动蛋白循环（actin recycling）至关重要。肌动蛋白的快速周转为突出物的持续伸长提供了动力，从而最终促进了细菌高效的细胞间传播。如果破坏ABI1-EPS8的相互作用或抑制EPS8的成帽活性，都会损害突出物的形成。
研究结论与意义
这项研究系统地揭示了一条由细菌穿孔毒素LLO启动、旨在促进自身传播的宿主信号通路。其核心机制是：细菌LLO穿孔宿主细胞膜→触发Ca2+内流→激活calpain→切割血影蛋白细胞骨架→动员ABI1→ABI1与EPS8结合并激活其肌动蛋白成帽活性→促进局部肌动蛋白循环→驱动细菌突出物高效伸长→完成细胞间传播。这一发现具有多重重要意义。首先，它阐明了一种全新的宿主-病原体相互作用模式，即细菌利用一种看似用于破坏细胞膜完整性的穿孔毒素，来精确地、空间局限地重构宿主细胞骨架，为其传播服务，展现了病原体操控宿主细胞的高超策略。其次，该研究将已知的宿主蛋白ABI1和EPS8在一个全新的病原感染情境下联系起来，并赋予了它们新的功能角色，深化了对细胞骨架调控网络的理解。最后，该研究鉴定出ABI1及其相关通路是宿主抵抗Lm感染的一个关键节点，这为未来开发针对胞内细菌感染的新型治疗策略（例如靶向该通路的宿主导向疗法）提供了潜在的理论依据和全新的靶点。这项研究发表于《自然-通讯》（Nature Communications）杂志，为细胞微生物学和感染生物学领域增添了重要的新知识。
