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撰文丨十一月
肿瘤坏死因子（Tumor necrosis factor，TNF）介导了对结核病的耐药性【1-3】。但是过量的TNF则是有害的，会诱导结核性肉芽肿中感染的巨噬细胞的坏死，从而将分歧杆菌释放到细胞外环境，并促进病菌的生长和传播。为了揭示过量的TNF介导致病性巨噬细胞坏死的具体机制，英国剑桥大学Lalita Ramakrishnan研究组在Science发表研究论文：Tumor necrosis factor induces pathogenic mitochondrial ROS in tuberculosis through reverse electron transport，发现过量的TNF会通过诱导致病性线粒体活性氧的增加，启动复杂的细胞器间信号通路，最终导致巨噬细胞的坏死和分歧杆菌的释放。为了在体内解决过量TNF信号提高线粒体活性氧的机制，作者们利用斑马鱼幼体作为工作模型，通过其身体透明以及对遗传和药理学的检测，可以可视化以及定量化操作并检测线粒体活性氧和巨噬细胞坏死过程。首先，作者们利用分歧杆菌（Mycobacterium marinum，Mm）诱导TNF过量表达，在感染五天后会造成巨噬细胞坏死以及易感性。在感染的巨噬细胞中，TNF会快速地、选择性诱导线粒体中活性氧的产生并触发巨噬细胞坏死。通过使用线粒体靶向活性氧以及氧化应激的感受器，作者们发现野生型动物与高表达TNF的动物的相比，在高表达TNF的斑马鱼中，感染的巨噬细胞线粒体活性氧的增加更为显著（图1）。通过破坏线粒体电子传递链抑制剂的处理，作者们发现TNF诱导的线粒体活性氧的产生来自于感染巨噬细胞的电子传递链。鱼藤酮（Rotenone）在野生型斑马鱼中增加感染巨噬细胞中线粒体活性氧，说明该过程中产生的线粒体活性氧来自于正向电子传递链。相反，高表达TNF的斑马鱼中，鱼藤酮则会抑制线粒体活性氧的产生。另外的两种复合体I抑制剂处理的结果也说明高表达TNF的斑马鱼中所产生的额外线粒体活性氧的来自于反向电子传递链而非正向电子传递链。
一直以来，反向电子链被认为是体外呈现的现象，因此，TNF高表达的动物中线粒体的活性氧大量增加的具体机制引发了作者们的研究兴趣。为此，作者们进一步通过电子传递链复合体的II抑制剂进行处理，发现这三种抑制剂均能消除TNF高表达动物中额外产生的线粒体活性氧。另外，通过增加线粒体琥珀酸浓度以及施用琥珀酸转运蛋白抑制剂等实验，作者们证明对于TNF诱导的反向电子传递链，琥珀酸复合体II的氧化增加既是必要的也是充分的。进一步地，作者们发现琥珀酸的增加是在柠檬酸循环中产生的，TNF增加了谷氨酰胺的转运，促进谷氨酰胺水解，导致琥珀酸增加。分歧杆菌在TNF高活性的动物中两个的不同步骤中发挥关键作用，第一是增加谷氨酰胺的水解，第二是与产生的线粒体活性氧一起诱导坏死。但是在野生型动物中则只发挥诱导线粒体活性氧的作用。因此，分歧杆菌进化出不同的机制，利用宿主的失调的TNF水平介导巨噬细胞的坏死，从而增加其感染和传播的方式，这对于其的生存至关重要。随后作者们检测了几种用于抑制反向电子传递链的药物，发现二甲双胍以及复合体抑制剂等可以作为治疗结核病的靶向辅助药物。总的来说，作者们工作发现，随着分歧杆菌的感染，野生型动物中感染组织会产生细胞肉芽肿，而在TNF高表达的细胞中则产生过量的线粒体活性氧，进而导致感染的巨噬细胞坏死，导致产生坏死性肉芽肿，释放的分歧杆菌会在结核病肉芽肿的碎片中旺盛生长。这一过程是通过反向电子传递链导致线粒体活性氧的大量产生造成的，而二甲双胍等药物抑制复合体I防止TNF诱导额外的线粒体活性氧，成为很好结核病潜在治疗药物。https:///10.1126/science.abh2841制版人：十一 1. D. M. Tobin et al., Host genotype-specific therapies can optimize the inflammatory response to mycobacterial infections. Cell 148, 434–446 (2012). doi: 10.1016/j.cell.2011.12.023; pmid: 22304914 2. F. J. Roca, L. Ramakrishnan, TNF dually mediates resistance and susceptibility to mycobacteria via mitochondrial reactive oxygen species. Cell 153, 521–534 (2013). doi: 10.1016/j.cell.2013.03.022; pmid: 23582643 3. F. J. Roca, L. J. Whitworth, S. Redmond, A. A. Jones, L. Ramakrishnan, TNF Induces Pathogenic Programmed Macrophage Necrosis in Tuberculosis through a MitochondrialLysosomal-Endoplasmic Reticulum Circuit. Cell 178, 1344–1361.e11 (2019). doi: 10.1016/j.cell.2019.08.004; pmid: 31474371
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