肠道防御素HD5的“双刃剑”效应
肠道是人体与外界环境接触最广泛的部位之一，其黏膜表面覆盖着一层由多种免疫分子构成的防御屏障，其中人类肠道α-防御素5（HD5）是一种重要的抗菌肽。它由小肠潘氏细胞分泌，能够直接杀灭多种病原体，是肠道黏膜免疫的重要组成部分。然而，近年来的研究发现，HD5在某些情况下却能促进病原体的感染，例如福氏志贺菌（Shigella）和人类免疫缺陷病毒（HIV）。这种看似矛盾的现象引发了科学家们的广泛关注，但其背后的分子机制一直未能明确。志贺菌是一种主要的人类肠道侵袭性病原体，其感染过程依赖于与宿主细胞的紧密接触。由于志贺菌自身缺乏粘附素和侵袭素，它需要借助宿主细胞的丝状伪足（filopodia）来实现初始接触和入侵。然而，志贺菌在体外模型中的入侵效率较低，这与其在体内的高感染性形成了鲜明对比。因此，探索HD5如何影响志贺菌的入侵过程，以及其背后的分子机制，对于理解肠道病原体感染的病理生理学具有重要意义。
西安交通大学
叶凯教授
、复旦大学
陆五元教授
、中国科学院上海免疫与感染研究所
Philippe J Sansonetti院士
团队揭示了
人类肠道α-防御素5（HD5）通过与结肠上皮细胞上的P2Y11受体相互作用，促进福氏志贺菌（Shigella）感染的分子机制
。研究通过多组学筛选和多种体内外模型，发现了HD5诱导的细胞骨架重排现象，并提出了针对HD5介导的感染的新干预策略。
相关内容以“Shigella infection is facilitated by interaction of human enteric α-defensin 5 with colonic epithelial receptor P2Y11”为题发表在《Nature Microbiology》。
图中展示了HD5在早期感染阶段诱导细胞形成丝状伪足（filopodia），这些伪足能够捕获志贺菌。通过免疫荧光（IF）和扫描电子显微镜（SEM）分析，研究者发现HD5处理的HeLa细胞在15分钟内出现了大量丝状伪足延伸，超过90%的志贺菌与这些伪足相关联。HD5单独处理即可诱导细胞骨架重排，形成“HD5诱导的丝状伪足延伸”（HIFE），其特征是丝状伪足的长度和密度显著增加，且这种捕获作用显著提高了志贺菌与宿主细胞的接触效率。
在实验过程中，志贺菌首先与HeLa细胞接触，然后在有无HD5存在的情况下进行入侵。结果显示，HD5显著提高了已经黏附在细胞上的志贺菌的入侵效率，从2%提高到36%。此外，HD5预处理的志贺菌与HD5预处理的细胞共同感染时，入侵效率进一步提高至107%，表明HD5通过两种途径（作用于细菌和宿主细胞）增强了志贺菌的入侵能力
研究发现，非特异性GPCR抑制剂suramin能够显著抑制HIFE的形成，且通过人类磷酸激酶抗体阵列和系统性磷酸化蛋白质组分析，揭示了HD5激活的信号网络中cAMP-PKA信号通路的关键作用。特定的PKA通路抑制剂PKI 14-22和KH7能够显著抑制HIFE，而其他细胞骨架调节通路的抑制剂则无效。此外，HD5处理显著增加了细胞内cAMP水平，进一步证实了cAMP-PKA通路的激活。
通过分析Gs蛋白偶联的GPCRs，结合转录组数据和蛋白质组数据库，研究者发现P2Y11是HD5的主要受体。实验中，HD5与P2Y11的直接相互作用通过pull-down实验和质谱分析得到证实，且分子对接模拟也支持这一发现。P2Y11特异性拮抗剂NF157能够显著抑制HIFE的形成，而NF340则无效。CRISPR/Cas9敲除P2Y11的HeLa细胞中，HD5诱导的HIFE显著减少，进一步证实了P2Y11在HD5介导的细胞骨架重排中的关键作用。
图5 HD5与P2Y11相互作用的关键残基及P2Y11的分布
研究人员揭示了HD5与P2Y11相互作用的关键残基，并展示了P2Y11在细胞和组织中的分布模式。通过分子动力学模拟和一系列突变体实验，研究者确定了HD5中与P2Y11相互作用的关键残基，包括R6、T7、E14、R25、L26和Y27。此外，利用肠道芯片模型和人类结肠组织切片，研究者发现P2Y11在结肠上皮细胞的顶端表面特异性表达，这与HD5的作用位点一致，进一步支持了HD5与P2Y11的生理相互作用。
图6 P2Y11干预对HD5介导的志贺菌入侵的影响
在实验中，P2Y11拮抗剂NF157显著降低了HD5增强的志贺菌入侵效率，并通过多种体内外模型（包括极化的人类结肠细胞单层、动态肠道芯片模型和动物模型）验证了这一效果。此外，NF157还能够显著减少志贺菌在细胞中的入侵区域，降低TEER（跨上皮电阻）的下降，并减轻肠道上皮的破坏。这些结果表明，P2Y11的激活是HD5介导的志贺菌入侵的关键因素，而P2Y11的干预可能成为一种有效的抗感染策略。
本研究揭示了人类肠道α-防御素5（HD5）通过与结肠上皮细胞上的P2Y11受体相互作用，促进福氏志贺菌（Shigella）感染的分子机制。研究发现，HD5能够诱导宿主细胞形成丝状伪足（filopodia），这些伪足捕获志贺菌并增强其入侵效率。通过多组学筛选和多种体内外模型，研究者鉴定出P2Y11是HD5的主要受体，且HD5通过激活cAMP-PKA信号通路调节细胞骨架。P2Y11拮抗剂NF157能够显著抑制HD5诱导的细胞骨架重排，并减少志贺菌的入侵效率。这一发现不仅阐明了HD5在病原体感染中的双重作用机制，还为开发针对HD5介导感染的新疗法提供了潜在靶点。
叶凯，教授，博导，获国家杰出青年科学基金，科技部重点研发专项，国自然重点项目等资助。2016年初，叶凯教授全职回国，在西安交通大学电信学部组建信息学与生命科学相结合的交叉学科团队，继续深入研究结构变异的检测、表征和功能。叶凯教授在Science、Nature、Nat Biotechnol、Nat Med等期刊发表SCI论文70余篇，其中ESI高被引论文14篇，热点论文(hot paper)1篇，SCI他引34000余次。
Philippe J Sansonetti，法国籍，法国科学院院士、美国科学院外籍院士、德国科学院院士、瑞典工程院院士。长期致力于菌痢的致病机制研究，揭示了志贺氏菌细胞入侵机制，开创了细胞微生物学交叉学科，为控制细菌感染提供了迄今为止最完整、最统一的知识体系，获罗伯特-科赫奖（与拉斯卡医学奖齐名的诺奖风向标）。他还是“营养-肠道菌群-疾病”研究方向的开创者，并致力于改善全球最贫困地区儿童的健康状况的科学研究。
