葡萄球菌属半胱氨酸蛋白酶Staphopain B切割白细胞介素33加重糖尿病皮肤感染的作用机制

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伤口感染是造成糖尿病伤口难以愈合的主要病因之一,金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)是导致糖尿病患者伤口感染的主要致病菌,它能通过表达肠毒素、溶细胞毒素、核酸酶、蛋白酶等多种毒性因子来破坏宿主防御系统。白细胞介素33(IL-33)是近年来发现的一个IL-1家族新成员,宿主在金黄色葡萄球菌感染皮肤后会显著增加IL-33的表达,进而诱导NO的释放、上调抗菌肽REG3A的表达来增强自身抗感染能力。然而,对于金黄色葡萄球菌是否能通过调控IL-33抵抗宿主的抗菌防御能力,目前尚不清楚。我们的研究发现正常人皮肤感染金黄色葡萄球菌的病灶部位有较高的IL-33表达,而糖尿病病人的皮肤感染部位IL-33的表达显著降低。另外,我们构建了金黄色葡萄球菌感染糖尿病小鼠皮肤的模型来检测感染部位IL-33的表达。结果发现与金黄色葡萄球菌感染的正常小鼠皮肤相比,感染的糖尿病小鼠皮肤中IL-33及抗菌蛋白RegⅢγ的蛋白表达水平也明显降低,而金黄色葡萄球菌的数量及蛋白酶活性显著增强。为了验证IL-33与RegⅢγ的低表达是否与金黄色葡萄球菌的蛋白酶活性在糖尿病高糖环境中增强相关,我们在体外模拟体内的高糖环境,用含不同葡萄糖浓度的培养基培养金黄色葡萄球菌,检测结果发现高糖可以通过调节辅助基因调节蛋白A(accessory gene regulator protein A,agr A)诱导金黄色葡萄球菌半胱氨酸蛋白酶SspB(Staphopain B)、Scp A(Staphopain A)的表达来增强蛋白酶的活性。然而,后续的金黄色葡萄球菌sspp基因敲除菌株感染糖尿病小鼠实验中,通过检测IL-33与RegⅢγ的表达证明了 ScpA与IL-33、RegⅢγ的低表达并不相关,因此我们将重点放在研究SspB的功能。为了检测IL-33、RegⅢγ的低表达是否与高糖诱导的半胱氨酸蛋白酶SspB的调节相关,我们将半胱氨酸蛋白酶SspB与IL-33、REG3A蛋白孵育,结果发现半胱氨酸蛋白酶SspB不能切割REG3A,却可以切割IL-33,并降低其诱导REG3A的生物学活性。经蛋白N端测序,我们发现半胱氨酸蛋白酶SspB可以在第97位甘氨酸特异性切割全长IL-33,并且通过预测蛋白的空间构象,我们发现与成熟肽IL-33-ST2的结合能力相比,切割后的肽段IL-3398-2700与受体ST2的结合能力变弱,导致诱导REG3A的活性降低。最后,通过体内感染金黄色葡萄球菌野生型和sspb基因敲除的实验,我们发现IL-33及RegⅢγ在sspb基因敲除的金黄色葡萄球菌感染糖尿病小鼠的表达回复到野生型菌株在正常小鼠感染部位诱导的IL-33及RegⅢγ表达的水平,证明糖尿病体内高糖环境可以通过促进金黄色葡萄球菌表达SspB降解IL-33蛋白,从而导致RegⅢγ的低表达。综上,金黄色葡萄球菌感染正常人皮肤可以上调IL-33及RegⅢγ的表达,而在糖尿病小鼠中,高糖调节agrA诱导金黄色葡萄球菌分泌半胱氨酸蛋白酶SspB。SspB在97位甘氨酸切割全长IL-33蛋白形成活性较弱的多肽IL-3398270,进而导致REG3A表达降低,使得宿主抵抗金黄色葡萄球菌感染的能力变弱而易被感染。我们的研究结果为探究糖尿病病人易被金黄色葡萄球菌感染而导致伤口难以愈合提供了新思路,并为治疗糖尿病伤口感染提供了新的理论依据。
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