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Science |中性粒细胞胞外诱捕网降解加快反而加重炎症反应

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撰文|雪月

中性粒细胞是机体抵抗感染的重要先天免疫细胞。面对细菌和真菌时,它们除了直接吞噬病原体,还可以将自身染色质释放到细胞外,与中性粒细胞弹性蛋白酶、髓过氧化物酶等抗菌蛋白共同形成巨大的网状结构,也就是NETs(Neutrophil extracellular traps )。NETs尤其适合捕获真菌菌丝这类难以被吞噬的大型病原体,因此长期以来被认为是中性粒细胞限制病原体扩散的重要武器。

但NETs同时又是一把“双刃剑”。NET中的DNA和组蛋白本身具有很强的免疫刺激作用,可以作为损伤相关分子模式激活免疫细胞。如果NET释放过多或者清除异常,它们就可能参与自身免疫、感染、血栓以及肺部炎症等多种疾病。正因为如此,过去一个很自然的思路是:如果能让NET更快被降解,或许就可以减轻炎症。然而,NET还有一个长期没有得到很好解释的特征。它释放出来的染色质并不是简单的一团松散DNA,而是由大量互相连接、反复分叉的DNA纤维组成。研究人员于是提出了一个问题:这些复杂的DNA分子到底只是NET形成过程中的副产物,还是具有真正的生物学功能?

来自Francis Crick 研究所的VenizelosPapayannopoulos团队在Science上发表题为RAD51 stabilizes neutrophil extracellular traps to compartmentalize inflammation的文章。该文章发现RAD51通过促进NET染色质分支、增强其稳定性,将促炎DNA/组蛋白限制在感染组织;当NET失稳后,这些碎片进入循环并激活单核细胞IL-6通路,反而加重系统性炎症和嗜酸性气道病理。


研究人员注意到,NET中的DNA并不是简单的线性结构,而是存在大量相互交联的分支。由于RAD51能够在DNA双链断裂修复过程中介导DNA链交换并形成Holliday junction等分支结构,作者推测,NETosis过程中产生的大量ROS可能造成DNA损伤,进一步激活RAD51,并促使NET染色质形成稳定的分支网络。

在实验中,作者首先利用人外周血中性粒细胞诱导NETosis。共聚焦成像发现,随着NET形成,RAD51逐渐进入细胞核并与染色质结合。使用RAD51抑制剂RI-1后,NET本身仍然能够正常形成,但电子显微镜显示其DNA分支和网络密度明显下降,同时对DNase I降解更加敏感。

为了进一步验证RAD51对NET稳定性的作用,研究人员在HoxB8来源的小鼠中性粒细胞中敲低Rad51。结果显示,Rad51降低并不明显影响NET形成,却使NET半衰期从约7.3小时缩短到5.5小时。与此同时,能够识别分支DNA结构的GEN1和RuvC核酸内切酶同样可以加速NET解体,进一步支持DNA分支结构是维持NET稳定性的关键。

研究还发现,不同刺激产生的NET稳定性并不相同。相比PMA,白色念珠菌菌丝和ionomycin能够诱导更高水平的RAD51,并产生更加耐受DNase降解的NET。加入RI-1后,这种稳定性明显下降,说明NET的结构和寿命本身可能是一个可以被免疫系统调控的参数。

按照传统观点,NET具有促炎作用,因此加速其降解似乎应该减轻炎症。然而,作者发现在小鼠烟曲霉肺部感染模型中,RI-1虽然使肺内NET更快消失,并降低IL-1β等局部炎症因子,却让动物体重下降更加明显。进一步分析发现,IL-6、IL-17、IL-13、G-CSF和eotaxin反而升高,同时Th2、Th17反应以及嗜酸性粒细胞浸润增强。

作者发现,RAD51被抑制后,肺内NET虽然迅速破碎,但血浆中的cell-free DNA显著增加。这些来自NET的DNA和组蛋白碎片进入循环后,可以通过TLR4激活经典型单核细胞,并诱导大量IL-6。CCR2缺失小鼠中循环单核细胞减少后,RI-1诱导的IL-6、IL-17和G-CSF升高明显减弱;而在Tlr4缺失小鼠中,异常IL-6反应同样受到抑制。将RI-1处理小鼠的血浆加入人单核细胞,也能够促进IL6表达,而中和组蛋白H3/H4后这一效应明显降低。因此,RAD51实际上建立了一道“炎症屏障”:稳定的NET将DNA和组蛋白等DAMPs限制在感染组织,而不稳定的NET则会快速碎裂,使这些促炎成分进入血液并激活远端免疫反应。

在人类曲霉菌病患者中,作者同样观察到血浆cell-free DNA、IL-6和eotaxin升高。其中cell-free DNA与IL-6呈显著相关,R²约为0.51,与eotaxin也存在相关性,为小鼠实验发现提供了临床相关性支持。最后,作者通过IL-6R阻断进一步证明IL-6并非单纯伴随指标。阻断IL-6R能够抑制RI-1诱导的Th2、Th17反应和嗜酸性粒细胞增加,并显著改善MUC5AC黏液产生和气道阻塞。


这项研究最大的意义,不只是发现RAD51可以稳定NET,而是提出了一个新的炎症调控概念:免疫系统不仅需要控制炎症有多强,还需要控制炎症发生在哪里。稳定NET可能维持一定程度的局部炎症,却能够防止大量染色质DAMPs扩散到循环。因此,对于NET相关疾病而言,“让NET更快消失”未必总是正确的治疗方向。

原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.aed9286

制版人: 十一

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