《生命科学》 2012, 24(7): 602-605
摘 要：
肠埃希氏菌(Escherichia coli， E. coil) 又称大肠杆菌，是一类栖身于哺乳动物肠道内的正常菌群，一般对宿主无害。但某些特殊血清型的大肠杆菌如肠致病性大肠杆菌(EPEC) 和肠出血性大肠杆菌(EHEC) 等却可能对宿主造成危害，这些类型的大肠杆菌可以作为病原菌通过食物或水源的污染感染机体，感染后宿主轻则发生腹痛和腹泻，重则引起出血性大肠炎，更为严重的会引起溶血性尿毒综合征(hemolytic uremic syndrome， HUS)[1-2]。由致病性大肠杆菌污染所引起的食物中毒作为一种危害公共安全的事件正受到各国卫生部门的关注和防治，研究清楚宿主抵抗该类病原菌的分子机制就显得极富意义。Citrobacter rodentium 作为一种鼠源的肠道致病菌可以在小鼠体内模拟EPEC 和EHEC 的感染，这种菌株具有较好的生物安全性，是研究EPEC 和EHEC 感染的良好模式菌株，科学家可以利用这一小鼠肠道感染模型很好地探讨肠道病原菌和宿主之间的互作机制[3-4]。
研究发现，在宿主遭遇感染后，机体的病原模式识别受体(pattern recognition receptor， PRR)，如熟知的TLRs 和NLRs 等会迅速识别病原微生物的入侵，激活自身的炎症反应，继而招募各类免疫细胞并释放特定的抗菌分子，从而控制病原微生物的入侵，最终消灭各类病原微生物以维持机体的稳态[5]。在这个过程中，有两个细胞因子格外重要，这就是白介素22(interleukin-22， IL-22) 和白介素17(interleukin-17， IL-17)。在感染的情况下，TH17 细胞以及许多其他的免疫细胞如γδT 细胞、中性杀伤T 细胞(NKT) 和淋巴组织诱导细胞(LTi cells) 等都可以分泌IL-17 和IL-22[5-7]。分泌的IL-17 以及IL-22 可以通过单独或协同的方式作用于上皮细胞(epithelial cell) 或角质层细胞(keratinocyte)，一方面产生大量的炎症因子及趋化因子招募各类淋巴细胞到达感染位置，另一方面产生各种抗菌肽直接清除病原微生物[7]。这一模型在一定程度上解释了机体是如何抵抗外来病原物入侵的，但仔细阅读原始文献发现这其中还有些不相吻合的地方，推断在这一过程中仍有一些未知的战士默默的守卫着机体的先天免疫防线。
以C. rodentium 感染模型为例。首先，虽然IL-17可以和IL-22 在细胞水平上协同诱导各类抗菌相关基因的表达[8-9]，但它们在遭受感染的小鼠体内上调至高峰的时间却相差很大，IL-22 蛋白在肠道中的表达在感染后4 d 即达到高峰，12 d 时已经降至本底水平，而此时IL-17 蛋白上调才达到其峰值[10]。它们上调的时程相差如此之大，那么它们在体内的协同作用效果是否和体外一致呢？其次，IL-22 敲除的小鼠在感染C. rodentium 以后不久就发生死亡，但IL-17RC (IL-17 的受体) 敲除小鼠感染后却不会发生死亡[10]。这也从表型分析上带来新的疑问，如果它们可以发挥协调作用并且缺一不可的话，为什么这两种敲除小鼠的表型如此不一致呢？另外，本课题组对比了IL-17 敲除小鼠和IL-22 敲除小鼠在感染后抗菌相关基因的变化，发现它们在机体遭遇感染时所调控的基因也不尽相同[10-11]。由于IL-22在抵抗C. rodentium 感染过程中不可或缺的地位，本课题组设想是否还存在其他分子与IL-22 协同抵抗C. rodentium 的入侵呢？于是带着这样的疑问，开始了寻找之旅。
1993 年，人们首次发现了IL-17，由于当时并未意识到它可以作为一个细胞因子发挥功能，因此将其命名为CTLA-8[12]。随后人们很快发现了它的功能并通过序列比对发现了与其同源的另外5个基因。因此，到目前为止，人们已经发现了6 个IL-17 家族细胞因子：IL-17A(IL-17)、IL-17B、IL-17C、IL-17D、IL-17E 和IL-17F。而IL-17 受体家族具有5 个成员，分别为IL-17RA、IL-17RB、IL-17RC、IL-17RD 及IL-17RE。所有的受体成员都是一型单次跨膜蛋白并具有一个胞外的类纤维结合素III (fibronectin III-like) 结构域和一个胞内的SEFIR结构域[13-14]。目前比较明确的是，IL-17 和IL-17F可以通过IL-17RA-IL-17RC 受体复合物向下游传递信号[15-16]， 而IL-17E(IL-25) 则通过IL-17RA-IL-17RB 受体复合物介导机体的TH2 反应[17]。IL-17B被认为是IL-17RB 的配体，但相关实验数据仍缺乏[18]。其他家族成员与受体的关系并不清楚( 图1)。
IL-17RE 是该家族中研究最少的一个受体。作为一个“孤儿受体”，其配体一直以来没有被发现，其如何介导下游信号转导以及所参与的生物学功能也一直不为所知。本实验室研究发现IL-17RE 高表达于肠道组织，进一步分析发现IL-17RE 主要表达在肠道上皮细胞上，提示IL-17RE 很可能参与肠道上皮细胞介导的先天免疫。当用C. rodentium 感染小鼠时，发现与野生型小鼠相比IL-17RE 敲除的小鼠不能抵抗C. rodentium 的感染。敲除小鼠在感染之后体重急剧下降进而发生死亡，同时肠道结构破坏严重，粪便及肠道中的病菌数量也急剧增多，相反敲除小鼠肠道内的抗菌相关基因的表达却大大下调了，这正好解释了为什么敲除小鼠会在感染后死亡。IL-17RE 敲除小鼠的这一表型也说明IL-17RE所介导的信号通路对于宿主的抗感染免疫至关重要。因为IL-17RE 的配体还未被发现，本实验室从IL-17 细胞因子家族入手，最终发现IL-17C 可以和IL-17RE 相互作用，同时还发现IL-17C 亦可以和IL-17RA 结合，并且免疫共沉淀实验证明IL-17RE可以和IL-17RA 相互作用。这些实验数据表明IL-17C 很可能是通过IL-17RE-IL-17RA 这一受体复合物来发挥功能的。当用IL-17C 处理体外培养的野生型小鼠结肠组织时，结肠组织中的炎症因子、趋化因子和抗菌肽表达均被上调，但这一上调作用在IL-17RE 敲除小鼠的结肠组织中完全消失，这说明IL-17C 需要IL-17RE 来诱导下游基因表达。同样，当向野生型小鼠体内注射可以过表达IL-17C 的腺病毒时，IL-17C 也可以在体内激活上述的基因，而IL-17RE 敲除小鼠中这些基因的诱导也如预期的那样完全消失了。由于IL-17RE 主要表达于肠道上皮细胞中，当用IL-17C 处理体外培养的原代野生型肠道上皮细胞时，IL-17C 可以激活NF-κB 和MAPK信号通路。而在IL-17RE 敲除小鼠的肠道上皮细胞中这些激活无法被检测到。这些实验数据从体内体外两个方面证实了IL-17C 通过IL-17RE 向下游传递信号继而激活基因的表达。如前所述，IL-17RE敲除小鼠由于不能抵抗C. rodentium 的感染而很早死亡，这一表型和IL-22 敲除小鼠完全吻合，而本实验室又发现IL-17C 也和IL-22 一样是在宿主遭受感染的早期就被上调，那么IL-17C 是否会和IL-22一起协同发挥功效呢？的确，与两种细胞因子单独处理相比，IL-17C 和IL-22 组合处理体外培养的肠道组织中的抗菌基因如S100A8、9 及Reg3γ 等成百倍地被上调了，这说明在生理状态下类似的协同效应最终放大了IL-17C 的抗菌效应。在小鼠遭遇C. rodentium 感染时，IL-17C 会在肠道中特异性地上调，进一步分析发现IL-17C 主要是在肠道上皮细胞中被上调。入侵宿主的病原菌的PAMP 分子如LPS、Flagellin 等可以直接作用于肠道上皮细胞产生IL-17C，同时病原菌激活的炎症因子如TNFα 和IL-1β 也可以作用于肠道上皮细胞产生IL-17C，而产生的IL-17C 就会和其他细胞因子如IL-22 一起协同发挥抗菌效应[19]。这样，本实验室找到了一个和IL-22 一起在宿主感染早期协同抗菌的全新细胞因子IL-17C，并阐明了它通过受体IL-17RE 介导宿主抗肠道感染的分子机制( 图2)。
致谢：感谢钱友存老师对本工作的细心指导和大力支持。同时也感谢实验室各位同仁对本工作的建议和帮助。
