Science：免疫分子编织纳米网抓住沙门氏菌等肠道微生物

由美国加州大学戴维斯分校卫生系统（UC Davis Health System）领导的一组科研人员发现了人α-防御素6（HD6）——这是人体的天然防御系统的一个关键成分——与微生物表面结合并形成了围绕、纠缠微生物并让微生物失能的“纳米网”，防止细菌附着在肠道细胞上或者入侵肠道细胞。

该研究描述了防御素的一种全新的作用机制。防御素是已知能够支持血液中的白细胞的防御作用的一组重要的分子，它们保护细胞边界不被入侵性病原体伤害，并调控哪些“友好的”微生物可以在人体表面生活。这项发现为炎症性肠病提供了重要线索，特别是克罗恩病，该病可能部分是由人α-防御素6（HD6）浓度或功能的缺乏导致的。

描述该研究的论文发表在了6月22日出版的《科学》（Science）杂志上。

“在过去的25年中，科研人员已经了解到了防御素的生物功能的许多知识，但是人α-防御素6（HD6）——这是在肠道高度表达的一种特殊分子——曾是一个谜，”加州大学戴维斯分校的微生物学与免疫学教授Charles L. Bevins说。“我们如今知道了HD6在人体的天然免疫系统中有一个非常独特的作用。它的与微生物表面结合、自我装配从而在包括沙门氏菌和耶尔森氏菌在内的细菌以及真菌和原生动物寄生虫周围形成一个纤维网的能力为肠道这个人体关键的部分提供了一个强有力而广谱的针对潜在威胁的防御。

Bevins和他在加州大学戴维斯分校的同事Andreas B？umler教授、美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的终身教授Robert I. Lehrer、美国马里兰大学医学院（University of Maryland School of Medicine）的合成蛋白质化学家Wuyuan Lu教授是该论文的共同资深作者。Bevins实验室的研究生、如今在加州理工学院工作的Hiutung Chu是这个为期9年的解决人α-防御素6（HD6）之谜的征程的一个驱动力量。

关于人α-防御素6（HD6）蛋白质

防御素是一族在结构上相关的小肽，在自然界的植物和动物中找得到其所具有的抗生素活性。人类制造6种不同的α-防御素。其中两种——人α-防御素5（HD5）和人α-防御素6（HD6）——是由位于小肠内壁褶皱上的专门的分泌细胞潘氏细胞分泌的。人α-防御素5（HD5）具有众所周知的抗菌属性，但是人α-防御素6（HD6）的功能此前未知。潘氏细胞的富含防御素的分泌物与附近的肠道干细胞一起维持微菌群的平衡并更新肠道细胞表面。

Chu的研究生工作把重点放在了描述人α-防御素6（HD6）的生物活性的研究中，这些研究使用经培养的肠道上皮细胞和转基因小鼠模型。尽管Chu和Bevins预计到了人α-防御素6（HD6）的活性会非常类似于其他在微生物膜上打洞从而杀死病原体的α-防御素，他们的早期研究一再表明人α-防御素6（HD6）不会杀死细菌。他们感到困惑，然后与加州大学戴维斯分校教授Angela Gelli 和Scott Dawson合作寻找了其他可能的功能，从而弄清人α-防御素6（HD6）是否可能只杀死特定细菌、真菌或寄生虫。结果它没有这些作用。

在这个项目开展两年并且对阴性结果感到失望的时候，Bevins 和Chu仔细地回顾了实验数据。就在那个时候他们识别出了两个关键的信息。第一个信息是当把人α-防御素6（HD6）加入到细菌或真菌悬浮液中的时候，在这些溶液中形成了一种白糊或者说沉淀。第二个信息是与B？umler合作开展的早期研究证明了尽管人α-防御素6（HD6）不会杀死细菌病原体沙门氏菌，它保护了转基因小鼠不受另一种致命感染的伤害。

“当我们把这两个结果放在一起的时候，我们就能够系统地证明人α-防御素6（HD6）抑制了微生物入侵，并且我们发现了人α-防御素6（HD6）的在多个层次上的独特结构以及功能，” Bevins说。

发现之路

加州大学戴维斯分校的这个研究组然后与Lehrer合作，后者的研究重点放在了对作为天然抗生素的防御素和其他抗菌肽的研究上。在他的实验室中，他有一个表面等离子体共振仪，能实时测量分子的结合。这种技术捕捉到了人α-防御素6（HD6）的逐渐装配，从与微生物细胞膜上的细菌蛋白质结合到自我装配从而形成原纤维以及原纤维的顺序加入。

凭借合成蛋白质化学家、防御素结构与功能关系专家Lu的专家技能，这个研究组获得了足够数量的最高等级的人α-防御素6（HD6）肽以及人α-防御素6（HD6）的细微的分子变种，从而用实验检验他们的假说。Lu成功发现让人α-防御素6（HD6）自我装配成原纤维的关键结构成分。HD6的一个独特的特征是4个人α-防御素6（HD6）分子组合形成一个基本单元的方式，这种基本单元进一步组装形成纤维和网。这组科研人员还发现仅仅改变人α-防御素6（HD6）的32个氨基酸残基的1个——组氨酸-27——就能削弱人α-防御素6（HD6）在X射线晶体结构中形成四聚物的能力。其结果是，人α-防御素6（HD6）失去了Lehrer在他的实时试验中发现的特定结合能力，阻碍了人α-防御素6（HD6）形成纳米网的能力，终止了它抑制细菌入侵的能力。

B？umler实验室制造出了一种影响人α-防御素6（HD6）最初与微生物表面分子结合的关键的细菌变种。当这些分子在转基因小鼠模型中敲除之后，人α-防御素6（HD6）不会在细菌表面形成原纤维。

“这一系列的实验为把这个故事的许多因素粘合在一起提供了关键的‘胶水’，并且让我们和我们的同行相信了我们终于解决了人α-防御素6（HD6）作用的机制，”Bevins评论说。

天然免疫和炎症性肠病的线索

加州大学戴维斯分校的这项研究描述了人α-防御素6（HD6）如何对人体的天然免疫做出贡献，天然免疫会抵御免疫系统可能没有任何管理经验的微生物。

“天然免疫系统需要有能力应对可能具有各种导致感染的伎俩的多样的微生物，”Bevins说。“人α-防御素6（HD6）是帮助人体防止可能危险的病原体实际密切接触肠道上皮细胞和持续更新上皮细胞表面的干细胞的一个主要参与者。”

Bevins实验室此前发表的研究已经把α-防御素与克罗恩病联系了起来。克罗恩病是一种与人α-防御素5（HD5）和人α-防御素6（HD6）的缺乏有关的慢性炎症性肠病。这些防御素的分泌通常发生在小肠表面的基部，在那里它们做好了抵御将要与肠壁危险性的近距离接触的细菌的准备。然而，克罗恩病病人倾向于在同样的区域积累入侵性细菌，发展出能使自身延续下去的一种慢性炎症。

“如果这些重要的防御分子较少，正常情况下存在于肠道的细菌可能让肠道表面发炎并导致以克罗恩病为特征的慢性炎症，”Bevins说。“我们知道关于人α-防御素5（HD5）的抗微生物活性的许多知识，如今我们怀疑人α-防御素6（HD6）的浓度也会让这种疾病发展。”

这个研究组关于克罗恩病的未来研究的目标是更好地理解究竟为何α-防御素的表达在罹患克罗恩病的病人中减少，或许还将设计出让人体增加制造这些关键分子的策略。

该研究受到了来自美国国立卫生研究院的资助的支持。

doi:10.1126/science.1218831
PMC:
PMID:

Human α-Defensin 6 Promotes Mucosal Innate Immunity Through Self-Assembled Peptide Nanonets

Hiutung Chu1, Marzena Pazgier2, Grace Jung3, Sean-Paul Nuccio1, Patricia A. Castillo1, Maarten F. de Jong1, Maria G. Winter1, Sebastian E. Winter1, Jan Wehkamp1,*, Bo Shen4, Nita H. Salzman5, Mark A. Underwood6, Renee M. Tsolis1, Glenn M. Young7, Wuyuan Lu2,†, Robert I. Lehrer3,†, Andreas J. Bäumler1,†, Charles L. Bevins1,†‡

Defensins are antimicrobial peptides that contribute broadly to innate immunity, including protection of mucosal tissues. Human α-defensin (HD) 6 is highly expressed by secretory Paneth cells of the small intestine. However, in contrast to the other defensins, it lacks appreciable bactericidal activity. Nevertheless, we report here that HD6 affords protection against invasion by enteric bacterial pathogens in vitro and in vivo. After stochastic binding to bacterial surface proteins, HD6 undergoes ordered self-assembly to form fibrils and nanonets that surround and entangle bacteria. This self-assembly mechanism occurs in vivo, requires histidine-27, and is consistent with x-ray crystallography data. These findings support a key role for HD6 in protecting the small intestine against invasion by diverse enteric pathogens and may explain the conservation of HD6 throughout Hominidae evolution.