布鲁氏菌策反宿主IRE1α激酶及其信号级联途径成功侵染的分子机理研究

Brucellosis caused by Brucella infection is a worldwide zoonosis of profound importance. The disease is a serious threat to human health, life safety and safety of animal husbandry production, and the disease also results in enormous economic losses. Cellular unfolded protein response (UPR) is an evolutionarily conserved mechanism by which eukaryotic cells release ER stress caused by accumulation of unfolded proteins in the endoplasmic reticulum (ER), infection of pathogens and other stresses. The cells can well adapt to the changed environment through the mechanism to re-reach their cytoplasmic balance. At present, the biological functions and molecular mechanisms of UPR involved in the regulation of pathogen infection of host cells are still obscure. Our recent data demonstrate that Brucella infection induced host cell UPR, and UPR sensor such as IRE1α and other UPR factor in the IRE1α signaling cascade were subverted by the pathogen during infection. In this proposal, by employing multiple state-of-the-art techniques such as RNA interference (siRNA or shRNA), protein interaction, etc., we aim 1) to clarify Brucella subversion of IRE1α and other UPR factors in the IRE1α signaling cascade for its successfully infection; 2) to elucidate host UPR factors and the relative signaling pathways that block Brucella infection and their mechanisms of mediating Brucella infection; 3) to provide new insights into the comprehensive analysis of molecular mechanisms of host cell-Brucella interaction, and the development of new strategy of brucellosis prevention and control. The ideas and research in this proposal are highly innovative.

由布鲁氏菌(布菌)侵染引起的布病是具有深远意义的世界性人兽共患病。该病严重威胁人类健康、生命安全及畜牧业的安全生产，并造成巨大的经济损失。细胞未折叠蛋白应答(UPR)是真核生物细胞进化保守的消除因未折叠蛋白在内质网(ER)中积累、病原物侵染等多种原因造成的ER压力，使细胞胞质重达动态平衡以更好地适应环境的机制。目前，宿主细胞UPR参与调控病原菌侵染的生物学功能及分子机制尚不清楚。我们近期的研究表明布菌侵染诱发宿主UPR并策反其关键感应元件IRE1α激酶及其信号级联途径中的多个蛋白因子。本项目拟通过RNA干扰、蛋白互作等综合技术研究布菌策反宿主IRE1α等UPR因子介导的信号途径成功侵染的分子机理，阐明宿主细胞UPR组及有关信号途径中可阻断布菌侵染的宿主因子及其调控机理，揭示宿主因子调控布菌侵染的内在本质。为全面解析布菌－宿主互作的分子机理，制定布病防控新策略提供全新的思路和可利用的宿主靶标。

由布鲁氏菌(布菌)侵染引起的布病是具有深远意义的世界性人兽共患病。该病常年在我国发生，现有患者超过70万人，受该病威胁人口达3.5亿，每年给我国造成经济损失达200亿元，极大地威胁人类生命和身体健康及畜牧业的可持续发展。对布菌致病和宿主免疫分子机理的了解是我们制定有效防控布病的基础。有研究表明宿主内质网未折叠蛋白应答 (UPR) 机制传感器IREα涉及调控布菌胞内繁殖，但我们对布菌如何策反利用宿主UPR机制及其因子成功侵染的了解十分有限。因此，本项目开展了布菌策反利用宿主UPR传感器IRE1α为起始的信号通路及其下游UPR因子和自噬机制蛋白以达该菌成功侵染目的分子机理研究。结果表明布菌侵染可激活宿主UPR传感器IRE1α，但布菌侵染期间并未使IRE1α的表达量有显著变化。IRE1α磷酸化可激活其下游的信号因子ASK1，JNK1/2，ULK1 (启动自噬的重要组成因子) 和AMPKα。IRE1α下游的信号因子（如ASK1、JNK1、AMPKα和JNK1）的激活都是以依赖于IRE1α激活的方式进行协同磷酸化，以达到将信号传递、启动宿主自噬机制和抑制宿主细胞程序化死亡等利于侵染的目的。缺失或失活宿主IRE1α-ULK1和IRE1α-AMPKα信号通路中的关键信号传导组分及与信号途径相关的自噬系统关键因子 (如Beclin1、ULK1和Atg9a) 均可强烈抑制布菌在细胞内运输和/或繁殖。宿主自噬蛋白LC3布菌侵染时发生脂质化及LC3被募集或累积在布菌周围。这些研究结果展示了布菌侵染定向激活宿主细胞以IRE1α为起始的IRE1α-ULK1信号轴并利用自噬机制组件，促进布菌胞内的运转和繁殖。IRE1α-AMPKα信号通路对布菌侵染也起到重要的调节作用。本项研究还发现IRE1依赖性的降解通路 (IRE1α-RIDD pathway) 也介导了布菌的胞内繁殖和运转。综上所述，本项研究结果表明布菌策反利宿主IRE1α-ULK1信号轴及其成员以促进其胞内寄生方式。研究结果为我们洞悉布菌胞内生活方式的分子机制提供了新的见解。UPR组是各类疾病潜在的药物靶标蛋白，本项研究结果为制定布病综合防控新策略提供科学依据和新的防治途径，也将对布病的预防和控制起到极关键的作用。因此，本项目研究成果具有重要的科学和社会经济及实践意义。