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【医讯】牙龈卟啉单胞菌感染宿主细胞后对其凋亡调控研究进展
文章来源:医生说   发布日期:2017/2/24 11:10:22

作者:周洁,潘亚萍,中国医科大学口腔医学院牙周科

 
牙周病是由牙菌斑微生物引起的慢性感染性疾病。牙菌斑可导致牙周炎症性病变、牙槽骨吸收及牙齿丧失。流行病学研究、临床医学研究和体外试验均发现,牙周感染与心血管疾病、早产和低出生体重儿、类风湿性关节炎等多种系统疾病有着密切关系。
 

牙龈卟啉单胞菌(Porphyromon-asgingivalis)是一种存在于龈下菌斑的革兰阴性专性厌氧菌,能够产生多种毒力因子,参与牙周炎的发生、发展及牙周组织的破坏过程,并与多种系统疾病的病变进展和组织破坏有关。正常情况下,细胞增殖与凋亡保持相对平衡,维持组织的正常形态和功能。在某些病理条件下,细胞增殖和凋亡失衡,组织发生一系列病理性改变,这种病理性改变有利于细菌进一步破坏组织细胞,加重炎症反应。

 
细胞凋亡是由Kerr等在20世纪70年代首先提出的概念,可以发生在生理和病理条件下,在哺乳动物发育、维持细胞稳态中起重要作用,与疾病的发生、发展密切相关。近年来研究发现,细胞凋亡与炎症性疾病有一定关系。以往研究表明,P.gingivalis感染宿主细胞后,通过干扰宿主细胞信号传导及相关蛋白的表达,对内皮细胞、软骨细胞、胚胎滋养层细胞、牙龈成纤维细胞等多种细胞凋亡的调控均表现为诱导作用。其对牙龈上皮细胞凋亡的调控既可表现为诱导作用,又可表现为抑制作用。现就P.gingivalis感染宿主细胞后对其凋亡调控研究进展做一综述。


1.细胞凋亡

 
细胞凋亡是指为维持内环境稳定,由基因控制的细胞自主的有序的死亡。其与细胞坏死不同,细胞坏死是在病理条件下自体损伤的一种现象。细胞凋亡是为更好适应生存环境而主动争取的一种死亡过程,涉及一系列基因的激活、表达以及调控。细胞凋亡主要受以下3条通路调控:死亡受体介导的凋亡通路、线粒体介导的凋亡通路、内质网介导的细胞凋亡通路。每个通路中又有不同的实现途径,各通路间互相联系,共同调节细胞凋亡过程。

 
在3条凋亡通路中,最后都有含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(caspase)的激活,证明它是3条通路作用的枢纽。此外,还有不依赖caspase的凋亡通路,如凋亡诱导因子(apoptosis-inducing factor,AIF)。凋亡在生理和病理过程均起着重要作用,凋亡系统的紊乱可导致细胞过度清除或细胞过长时间存活。凋亡调控通路涉及4种主要调控因子:caspase家族、Bcl-2蛋白家族、肿瘤坏死因子受体家族(TNF-R)和衔接蛋白。

 
2.细胞凋亡调控通路

 
细胞凋亡发生的机制十分复杂,涉及一系列分子信号级联反应,主要受以下3种途径调控。外部通路主要由外部信号激活,如Fas配体(FasL)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)。FasL与Fas结合激活死亡诱导信号复合蛋白(DISC),使得caspase-8前体转化为活化的caspase-8。活化的caspase-8有2种作用:激活caspases执行者(caspase-3)和使Bid碎裂。碎裂的Bid(tBid)通过触发促凋亡蛋白Bax和Bak激活内部凋亡通路。致癌基因、低氧、DNA损伤及生长因子缺乏触发内部凋亡通路。

 
活化的caspase-2可使Bid碎裂为tBid,也可激活内部通路。tBid转移到线粒体,将激活Bax和Bak蛋白。Bax和Bak蛋白又可诱导线粒体外膜通透,并将细胞色素C从膜间隙释放到胞浆。在胞浆内,细胞色素C通过衔接蛋白Apaf-1(凋亡蛋白酶活化因子)形成活化的caspase-9,并最终激活caspase-3。凋亡诱导因子(AIF)是位于线粒体间隙的一类蛋白,不依赖casapse即可诱导细胞。当细胞接受到死亡信号,AIF从线粒体转移到细胞质内,再进入核内引起DNA凝集并断裂。

 
3.P.gingivalis对宿主细胞凋亡调控
 

P.gingivalis对不同宿主细胞凋亡的调控既可以为诱导作用,又可以为抑制作用。以下将从两方面分别阐述。

 
3.1P.gingivalis感染宿主细胞后诱导细胞凋亡

 
以往研究表明,P.gingivalis是以数量、时间及牙龈素依赖性诱导宿主细胞凋亡。当感染复数(multiplicity of infection,MOI)较小、时间较短时,不足以引起细胞凋亡;而MOI较大、时间较长时,细胞则发生死亡。人牙龈上皮细胞(human gingival epithelial cells,HGEC)是牙周组织防御的第一道天然屏障。当用P.gingivalis ATCC33277活菌以MOI为100或热灭活菌以MOI为1000感染HGEC24h,可发现细胞DNA碎裂及细胞凋亡,且在12~24h凋亡最为明显。

 
其上调Fas和FasL表达并激活核转录因子(NF-κB)通路和促凋亡因子caspase-3、8、9、Bid和Bax。实验发现,蛋白酶精氨酸和赖氨酸牙龈素对P.gingivalis诱导宿主细胞凋亡十分必要,且二者缺一不可。P.gingivalis通过Fas-FasL信号通路诱导HGEC凋亡,FasL表达和caspase激活导致DNA碎裂。NF-κB调控FasL表达,并参与FasL介导的细胞凋亡。Fas(Apo-1/CD95)FasL系统是哺乳动物细胞凋亡重要的调控者。Fas与FasL或激动性抗体结合,能够诱导Fas表达细胞凋亡。

 
NF-κB是一类转录因子,其主要调控免疫炎症反应基因表达。而活化的NF-κB既可抗细胞凋亡,又可促细胞凋亡,这取决于刺激和细胞类型。Bcl-2蛋白家族被认为是细胞凋亡调控因子中最重要的调控蛋白,其可分为两大类,一类抗细胞凋亡,主要包括Bcl-2、Bcl-XL等;另一类促细胞凋亡,主要包括Bax、Bak和Bid等。cas-pase-8、9的激活说明P.gingivalis分别启动了细胞外部和内部凋亡通路,最终导致caspase-3激活,caspase-3活化是凋亡进入不可逆阶段的标志。以往很多研究都证实,P.gingivalis能够诱导HGEC细胞凋亡,机制可能是通过裂解细胞β肌动蛋白导致细胞骨架坍塌而破坏细胞完整性,最终导致细胞死亡。

 
据报道,P.gingivalis与动脉粥样硬化、早产和低出生体重儿及类风湿性关节炎等疾病密切相关,其可促进组织细胞病理反应。Roth等建立P.gingivalisFDC381侵入人动脉血管内皮细胞模型发现,当P.gingivalis FDC381以MOI为500和1000作用人动脉血管内皮细胞24h时,可诱导细胞凋亡。体外实验发现,P.gingivalis ATCC33277以MOI为100和200作用人胚胎滋养层细胞(HTR-8)24、48、72h,可通过激活caspase3、7、9和ERK1/2通路,使停滞在G1期的细胞发生凋亡,此研究可为P.gingivalis对早产和低出生体重儿的影响提供理论依据。同样,P.gingivalisATCC33277以MOI为100作用于软骨细胞24h后发现,细胞G1期增长,G2期减短,caspase3和ERK2通路激活,细胞凋亡发生。

 
与其他细胞不同,P.gingivalis对于牙龈成纤维细胞凋亡的调控不依赖凋亡经典途径—caspase3激活,而是通过凋亡诱导因子(AIF)的激活实现的。实验发现,AIF发生核转移,沉默AIF基因后,可降低P.gingivalis诱导的牙龈成纤维细胞凋亡。

 
3.2P.gingivalis感染宿主细胞后抑制细胞凋亡


P.gingivalis感染多种宿主细胞(单核细胞、巨噬细胞及中性粒细胞等除外)后表现为诱导细胞凋亡,而对于HGEC,P.gingivalis可通过抑制由凋亡诱导剂诱导的细胞凋亡,使侵入到上皮细胞内的P.gingivalis继续存活,此结论最早由Nakhjiri等于2001年提出。研究发现,P.gingivalis感染HGEC后,P.gingivalis可以数量依赖性抑制细胞凋亡。当MOI为10、50、100时,刺激时间不超过24h,细胞可不发生凋亡或坏死性死亡,且P.gingivalis可在细胞内大量繁殖;而当MOI为1时,P.gingivalis失去抗凋亡能力。促凋亡因子Bax在短时间内上调,长时间刺激后,Bax水平下降,抗凋亡因子Bcl-2表达升高。其可通过激活PI3K/AKT信号通路及JAK/Stat通路阻断caspase-3激活,从而保护细胞免受线粒体途径凋亡,包括阻断线粒体膜通透和细胞色素C释放。

 
只有当JAK和AKT通路同时抑制后,才能阻断P.gingivalis对凋亡的抑制作用。PI3K/AKT信号通路与细胞线粒体凋亡途径密切相关。AKT信号通路可保护细胞免受多种刺激,可抑制凋亡酶启动者caspase-9,并且调控线粒体相关凋亡,最终阻断caspase-3激活,从而使细胞继续存活;JAK/Stat通路可将细胞外受体信号转移至细胞核。

 
P.gingivalis感染HGEC后,可能通过调控相关信号分子从细胞外转移至细胞核,激活PI3K/AKT及JAK/Stat通路来阻断促凋亡因子激活,从而调控细胞内部凋亡途径抑制宿主细胞凋亡。

 
综上所述,P.gingivalis对宿主细胞的凋亡调控,根据不同宿主细胞、不同MOI以及作用时间,可有不同表现。P.gingivalis调控宿主细胞凋亡的意义在于加重炎症性感染及组织病理损伤。明确P.gingivalis对宿主细胞凋亡调控的作用,可为牙周炎及与牙周感染相关的全身系统疾病发病机制及治疗方法提供理论依据。

 
4.结语

 
P.gingivalis是目前证据充分的牙周致病菌,不仅与口腔疾病密切相关,且与全身系统疾病的发病机制有着重要的联系。以往研究发现,P.gingivalis能够侵入不同的宿主细胞,调控其凋亡。P.gingivalis诱导宿主细胞凋亡可使受损细胞被清除,调节炎症和宿主免疫反应;P.gingivalis抑制细胞凋亡使侵入到细胞内的细菌继续存活,从而加重炎症感染。综上,明确P.gingivalis对宿主细胞凋亡调控机制可为口腔疾病及全身疾病的治疗及预后提供更好的依据。

(来源:医脉通)

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