沙门氏菌效应蛋白 SarA 的关键氨基酸驱动 STAT3 超生理激活，调控宿主抗炎反应机制探秘

本文聚焦沙门氏菌（Salmonella）。研究发现其效应蛋白 SarA 通过激活信号转导及转录激活因子 3（STAT3），诱导抗炎基因表达。一个氨基酸差异是 SarA-STAT3 信号抗炎偏向的关键，这为理解细菌致病机制和干预感染提供重要依据，值得关注。

　　

引言

沙门氏菌（Salmonella enterica）血清型鼠伤寒沙门氏菌是革兰氏阴性兼性细胞内厌氧菌，是引起沙门氏菌病的病原体，这是一种常见的食源性疾病，在美国每年约有 100 万例病例。沙门氏菌致病的关键在于其分泌的效应蛋白，这些蛋白由 III 型分泌系统（T3SS）转运到宿主细胞内，可模拟和重新编程宿主细胞功能，为细菌创造有利环境。

此前研究发现效应蛋白 SarA（Salmonella anti-inflammatory response activator，也称为 Stm2585、GogC 和 SteE）可激活转录因子信号转导及转录激活因子 3（STAT3），调节宿主对鼠伤寒沙门氏菌感染的反应。SarA 主要由 SPI-2 T3SS 分泌，招募糖原合成酶激酶 - 3（GSK-3），使自身 YxxQ 基序磷酸化，进而结合并激活 STAT3，刺激细胞内细菌复制、产生抗炎细胞因子白细胞介素 - 10（IL-10），还能促进巨噬细胞的 M2 极化。

SarA 的 YxxQ 基序及周围氨基酸与宿主细胞因子共受体 gp130 有相似性，但 gp130 是促炎 IL-6 家族细胞因子的信号转导亚基，而 SarA 激活 STAT3 却导致抗炎的 IL-10 产生。研究表明，STAT3 激活的强度和持续时间会影响下游转录靶点，因此推测 SarA 介导的 STAT3 磷酸化具有独特分子特征，使其更倾向于抗炎激活。

结果

1. SarA 激活 STAT3 的抗炎偏向性：通过比较感染鼠伤寒沙门氏菌后 SarA 激活的基因与 IL-6、IL-10 刺激激活的基因，发现 SarA 激活的基因显著富集 IL-10 激活的基因，而与 IL-6 激活的基因无明显富集。感染实验中，野生型鼠伤寒沙门氏菌感染 THP-1 单核细胞后，抗炎基因SBNO2和TNIP3的转录水平显著高于 ΔsarA突变株，且这种差异并非由细菌负担不同导致，证明 SarA 分泌可促进抗炎反应，但具体分子机制未知。
2. SarA 诱导更强烈和持久的 STAT3 磷酸化：与 IL-6/gp130 激活相比，SarA 激活 STAT3 能导致更高水平的磷酸化和更多的 SOCS3 蛋白表达。在 HeLa 细胞过表达实验和 THP-1 单核细胞感染实验中，含 SarA GBS 结构域的构建体引发的 STAT3 磷酸化水平均高于含 gp130 GBS 结构域的构建体，且感染实验中这种差异与细菌复制水平无关，表明 SarA 的 GBS 结构域能使 STAT3 激活水平更高。
3. SarA-STAT3 激活强度的关键氨基酸：研究发现 SarA 的 YxxQ 基序中 pY+1 位置的氨基酸对 STAT3 激活至关重要。将该位置的异亮氨酸（I168）突变为精氨酸（R），会显著降低 STAT3 磷酸化水平；而将 SarA:gp130 中相应位置的精氨酸突变为异亮氨酸，则可恢复 STAT3 磷酸化。但突变该位置对 STAT3 与 SarA 的结合亲和力无显著影响，说明增强的结合亲和力不是影响 STAT3 激活的主要机制。
4. 异亮氨酸使 SarA 成为 GSK-3 更好的底物：免疫沉淀和质谱分析表明，pY+1 位置为异亮氨酸时，SarA 的 YxxQ 基序更易被 GSK-3 磷酸化，从而促进 STAT3 结合。体外激酶实验也证实，含异亮氨酸的 SarA 能被 GSK-3β 更有效地磷酸化，且相应的 STAT3 磷酸化水平也更高，说明异亮氨酸使 SarA 成为 GSK-3 酪氨酸磷酸化的更好底物。
5. gp130 中异亮氨酸对 STAT3 激活的影响：在组成型激活的 gp130 二聚体构建体中引入 R238I 突变，过表达该突变体在 HeLa 细胞中并未改变 STAT3 磷酸化水平，表明异亮氨酸在 gp130 中不会产生类似在 SarA 中的增强 STAT3 激活的效果，说明这种效应依赖于 GSK-3。
6. SarA 激活 STAT3 对靶基因偏向性的影响：感染携带 YxxQ 突变的鼠伤寒沙门氏菌菌株后，发现 psarA^I168R突变导致抗炎基因转录和 IL-10 产生减少，而 psarA:gp130^R168I突变则可使其恢复，表明调节 SarA 对 STAT3 的激活能控制下游靶基因的偏向性。
7. SarA 和 gp130 对 STAT3 激活的进化差异：在 4554 株含有 SarA 的Salmonella菌株中，pY+1 位置均为异亮氨酸，在 244 种人类 GSK-3β 同源物中，该位置也高度保守为异亮氨酸；而在 133 种人类 gp130 同源物中，pY+1 位置大多为精氨酸。这表明 SarA 通过进化适应，利用宿主激酶 GSK-3 实现对 STAT3 的超生理激活，而 gp130 则介导适度的 STAT3 激活。

讨论

许多细胞内病原体可激活抗炎途径逃避宿主免疫攻击。本文揭示了鼠伤寒沙门氏菌效应蛋白 SarA 的 YxxQ 基序中单个氨基酸控制 STAT3 激活水平，诱导 IL-10 产生并引发抗炎信号偏向。SarA 诱导的 IL-10 可能通过多种非细胞自主反应使细菌受益，但具体作用机制还需进一步研究。

除沙门氏菌外，其他细菌如Bartonella hensalae和Helicobacter pylori也通过不同机制劫持 STAT3，但它们的激活方式和对宿主的影响与 SarA 不同，体现了病原体激活 STAT3 的多样性和适应性。

虽然宿主在感染时已产生 IL-6 并激活 STAT3，但 SarA 能利用宿主的稳态机制，通过共激活组成型活性激酶 GSK-3，实现对 STAT3 的超生理激活，诱导抗炎靶基因表达。未来研究需进一步明确 SarA 激活 STAT3 的结构基础，以及是否存在更多 GSK-3 酪氨酸激酶活性的底物。

研究局限性

本研究存在一定局限性。实验主要聚焦于 SarA 和 gp130 共享的 GBS 区域功能，未探究 SarA 其他区域的作用；实验多采用 HeLa 细胞过表达和 THP-1 单核细胞感染模型，在其他细胞类型中 SarA 的功能可能存在差异；且研究未涉及动物或类器官模型，难以得出关于 SarA 对 STAT3 超生理激活的生理后果的更深入结论。

资源可用性

如需研究资源和试剂，可联系通讯作者 Dennis C. Ko（[e-mail]）。研究中产生的质粒将存入 AddGene，细菌菌株可应要求提供。原始和处理后的 MS 数据及相关元数据已存入 ProteomeXchange Consortium PXD056916，可通过 MassIVE 存储库访问；所有原始代码已上传至 GitHub，可公开获取。