2023-11-13 17:20
作者 温海楠
京港感染论坛
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尿路感染 (urinary tract infections,UTIs) 是常见且负担沉重的，约50-60% 的妇女在其一生中经历至少一次UTIs。发生感染的风险与曾经的UTIs 密切相关。然而，导致UTIs高复发率的因素和机制仍不清楚。在最近的一项研究中，Russell等人解答了这一难题，他们发现尿路致病性大肠杆菌 (uropathogenic Escherichia coli ,UPEC) 感染会触发泌尿道组织中的训练免疫（trained immunity），从而影响对后续感染的免疫应答。
该文章于2023年5月发表在《Nature Microbiology》杂志，标题为《Uropathogenic Escherichia coli infection-induced epithelial trained immunity impacts urinary tract disease outcome》，华盛顿大学圣路易斯医学院的Seongmi K. Russell 为该论文的第一作者。
▼1.分化的尿路上皮模拟体内感染
为探讨尿路上皮干细胞(urothelial stem cells, USCs)在膀胱重塑中的作用，研究者分别对痊愈及慢性UTI的小鼠中分离到的USCs进行培养，结果发现，与对照组、痊愈组相比，来自慢性UTI的USCs细胞形态更多，尤其表面细胞更小且末端分化标记Upk3a和K20的表达降低（图1），与研究者曾经在体内研究的结果一致，表明USCs的体外培养可以作为体内膀胱上皮重塑的模型。
▲图1 既往UTI小鼠的尿路上皮干细胞可维持膀胱重塑
▼2.表观遗传特征与UTI病史相关
研究者发现既往UTI会导致USCs的内在变化，这些变化在细胞培养多次传代后均可遗传。因此，假设这些变化是由USCs中与病史及染色质全基因组差异相关的差异表观遗传修饰引起。为证明这一假设，研究者首先分别在对照组，痊愈和慢性组UTI小鼠的USC系中分别鉴定出59,801，63,195和82,030个高度可重复的染色质区域。并使用主成分分析 (PCA) 将慢性感染的USC与其他组进行区分。在痊愈和慢性UTI的USCs之间鉴定到的2,880个染色质差异可及区域 (DARs) 中，有925个区域在慢性感染组更易获取，而1,955区域在痊愈组更易获取。使用GO通路对DARs进行分析，发现慢性感染组DARs中许多与生物学过程（包括程序性细胞死亡，氧化应激和免疫应答）的相关基因都得到了强烈富集。
其次，分别使用WGBS和CUT & RUN对不同USCs中的DNA甲基化和组蛋白修饰进行全基因组分析。发现对照组，痊愈组和慢性组之间DNA甲基化没有差异。但与对照组、痊愈组USCs相比，慢性组特异性甲基化区域倾向于次甲基化。同时还发现慢性组USCs中的次甲基化可增加ATAC-seq，H3K4Me3和H3K27Ac的信号，表明这些区域富含启动子和增强子的标记物。慢性组特异性次甲基化与这些基因特征 (如启动子，外显子和内含子) 更相关。对慢性组的特异性次甲基化GO途径分析显示免疫反应和细胞粘附相关途径的富集。由此可见，USCs保留了先前UPEC感染的表观遗传记忆，该记忆由差异DNA甲基化和活性组蛋白修饰介导，会因初次感染的预后而有所不同。
▲图2 小鼠USCs在UPEC感染后具有不同的表观遗传记忆
▼3.与病史相关的USC分化策略
为研究表观基因组改变是否导致差异基因表达，研究者对对照组，痊愈组和慢性组小鼠的USCs进行RNA-seq。发现与对照组、痊愈组相比，慢性组USCs分别具有108个和73个差异表达基因，且包含了防止细胞氧化，核受体信号传导和干细胞多能性有关的富集途径。同时对有或没有UPEC感染的分化上皮进行分析发现，可以使用感染史将分化上皮的转录谱区分开，表明之前的感染史使分化的尿路上皮出现内在差异。
▲图3 恢复期小鼠的尿路上皮细胞与体内观察到的差异转录组学一致
▼ 4.致敏USC重新编辑揭示的训练免疫信号
基因表达热图显示，许多与PCD途径相关的基因在慢性感染和痊愈的尿路上皮中差异表达。说明致敏和痊愈细胞在UPEC感染期间易发生不同的PCD机制。接下来，研究了USCs中的DNA甲基化差异是否与致敏和痊愈USCs中尿路上皮的RNA-seq变化相关，发现包括Casp1和Ptgs2os2的大多数基因相对基因表达与该基因启动子位点的DNA甲基化水平呈负相关。致敏USCs的Casp1和Ptgs2os2启动子位点相对于未感染和痊愈USCs都是相对低甲基化的，同时也在活性组蛋白标记H3K4Me3和H3K27Ac中富集。通过RT-qPCR检测，发现与未感染和痊愈 USCs相比，致敏USCs的Casp1表达量大约高出1000倍。同样，免疫印迹染色显示caspase-1仅在致敏分化的USCs中可检测到。乳酸脱氢酶细胞毒性试验表明，UPEC感染诱导未感染、致敏和痊愈USCs细胞死亡，但致敏组细胞死亡显著增加。
之前的研究发现由UPEC产生的HlyA在人和小鼠尿路上皮细胞中可诱导caspase-1和caspase-11依赖的细胞脱落保护性反应。在使用WT UTI89（HlyA+）和UTI89ΔhlyA（HlyA-）菌株对致敏、痊愈及对照组小鼠的攻击感染中，我们观察到ΔhlyA感染不会激活caspase-1介导的细胞死亡，致敏小鼠的细菌负荷显著增加。此外，与HlyA+比较，感染ΔhlyA致敏小鼠感染后28 d慢性膀胱炎复发的发生率显著增加，表明caspase-1在致敏尿路上皮细胞中的过度表达是一种保护性反应，有助于帮助预防UPEC感染。
▲图4 致敏USCs中增加的caspase-1介导的炎症细胞死亡可能保护致敏小鼠免受急性和慢性UPEC感染
▼ 结论
总之，研究者通过对已痊愈及慢性UPEC感染的小鼠的尿路上皮干细胞（USCs）进行研究，发现了包括染色质可及性、DNA甲基化和组蛋白修饰差异的表观遗传变化。来自慢性感染小鼠的USCs在UPEC感染后增强了caspase-1介导的细胞死亡，从而促进了细菌的清除。尽管训练免疫（TI）有助于消除后期暴露时的感染，但它会导致炎症和组织损伤相关基因的持续活化，从而使动物更容易引起长期或反复感染。
知识扩展：训练免疫。“训练免疫 （trained immunity，TI）”或“先天免疫记忆”是指在缺乏适应性免疫的生物体中，先天免疫系统可增强对再感染的抵抗力的现象。传统观点认为只有适应性免疫才能建立免疫记忆，但近几年发现固有免疫也具备这种特征。与传统固有免疫不同，训练免疫是一种不依赖T、B细胞的记忆性固有免疫应答，在机体初次感染后对相同或不同病原体再次感染表现高反应性。训练免疫作为一种新兴的观点，具体机制涉及固有免疫、代谢及表观遗传之间的交互作用。
▼适应性免疫和训练免疫的免疫记忆特点
适应性免疫 | 训练免疫 | |
T、B淋巴细胞依赖性 | 依赖 | 不依赖 |
抗原特异性 | 具有 | 不具有 |
持续时间 | 数年，可达终生 | 数周至数月 |
形成机制 | 基因重排（突变、重组等） | 表观遗传、免疫代谢重编程 |
参考文献
[1] Russell SK, Harrison JK, Olson BS, Lee HJ, O'Brien VP, Xing X, Livny J, Yu L, Roberson EDO, Bomjan R, Fan C, Sha M, Estfanous S, Amer AO, Colonna M, Stappenbeck TS, Wang T, Hannan TJ, Hultgren SJ. Uropathogenic Escherichia coli infection-induced epithelial trained immunity impacts urinary tract disease outcome. Nat Microbiol. 2023 May;8(5):875-888.
[2]杨东敏,王悦冰,冯娟.训练免疫的研究进展[J].生理科学展,2022,53(04):281-286.
温海楠
副主任检验师，在读博士；承德医学院附属医院南区检验科 副主任；全国细菌耐药监测学术委员会青年委员；中国医疗保健国际交流促进会临床微生物学分会委员；河北省医学会检验分会青年委员；发表文章多篇，获河北医学科技奖2项；主持河北省政府资助临床医学优秀人才项目1项。
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作者｜温海楠（承德医学院附属医院南区检验科）
审校｜余方友（上海市肺科医院）