Lipocalin 2 mediates an innate immune response to bacterial infection by sequestrating iron

Nature 2004

Introduction:

細菌跟其宿主相同，都需吸收微量元素來維持生長。比如鐵，它是細菌許多必須酵素的輔酉每，細菌須吸收它，才能啟動這些酵素催化細菌所需的生化反應以維持存活生長。另一方面，宿主從飲食中所吸收的鐵，都以三價鐵的形式存在於體內，且由儲鐵蛋白(ferritin), 乳鐵蛋白(lactoferrin)或運鐵蛋白(transferrin)所攜帶，運送至身體各處，供細胞利用。而血紅素(haem)也能攜帶鐵，所以宿主體內自由的三價鐵是非常微量的。因此，當細菌感染宿主時，細菌唯一能獲得鐵的路徑，只有來自於宿主。為了跟宿主競爭環境中如此少量的三價鐵，細菌會合成及釋放一種低分子量、對鐵有超高親合力的三價鐵螯合劑，稱為siderophores。它可以宿主競爭自由態的三價鐵，或從儲鐵蛋白(ferritin)、乳鐵蛋白(lactoferrin)或運鐵蛋白(transferrin)中，將鐵萃取出，再將鐵送至細菌體內，供其利用。Siderophores有三種形式：

Lipocalin 2 最先發現於活化態的嗜中性白血球(neutrophils)，當宿主受到微生物感染時，大部分受感染的組織也會合成及釋放lipocalin 2。儘管科學家已知lipocalin 2 的來源，卻遲遲無法找出其ligand及其功能。而Lipocalin 2和siderophores及這篇文章的關係建立於作者2002年在“Molecular cell”這本期刊所發表的文章“The neutrophil lipocalin 2 is a bacteriostatic agent that interferes with siderophore-mediated iron acquisition.”。當作者這群研究團隊利用大腸桿菌來表現lipocalin 2 這個蛋白質時，發現在純化lipocalin 2時，lipocalin 2 會跟細菌中的某個物質結合，且這個物質含有三價鐵，最後作者從結構分析中證實這個物質即為enterochelin(大腸桿菌的siderophores)。而作者在in vitro study初步發現human lipocalin 2 可以抑制大腸桿菌的生長。於是，作者便提出一個疑問 lipocalin 2是否在宿主innate immune system中扮演抗細菌的角色呢？

Results and Discussion :

首先，作者利用cDNA microarray analysis及Toll-like receptor 4-knockout mice證實許多致病原的成份如內毒素(lipopolysaccharide)可以活化Toll-like receptors，而誘發宿主中免疫細胞大量表現lipocalin 2，lipocalin 2確實在innate immune system中扮演某種角色。接下來作者利用lipocalin 2-knockout mice得知當在腹腔給予亞致死量(0.6 × 10⁸ c. f. u. )大腸桿菌H 9049時，經過36小時感染後，其肝臟、脾臟及血液中聚積相當多細菌(與對照組有顯著性差異)，同時這些地方分析不到lipocalin 2的表現，這告訴我們lipocalin 2確實在宿主受到感染時，扮演保護宿主的角色。這株大腸桿菌H 9049能產生並利用enterochelin以獲得鐵，作者在先前研究發現lipocalin 2只能跟enterochelin這類siderophore結合，從生長試驗證明lipocalin 2可抑制大腸桿菌H 9049的生長，但無法抑制金黃色葡萄球菌(enterochelin-independent)生長，另外，大腸桿菌H 9049能利用ferrichrome，但無法自體合成它。當大腸桿菌H 9049在有ferrichrome的環境下，lipocalin 2無法抑制其生長。這說明lipocalin 2抑制大腸桿菌H 9049的生長是enterochelin-dependent。Lipocalin 2透過和enterochelin的結合，使細菌無法利用enterochelin獲得宿主體內的三價鐵，因而無法生長，感染也無法建立。動物實驗的結果也證明是如此。不過，詳細的分子機制需要更多假設和實驗來釐清。這篇文章告訴我們lipocalin 2為innate immune system中新的成員，透過干擾細菌吸收鐵，來達到抗菌的效果。lipocalin 2對於臨床上治療菌血症及敗血症，帶來新希望，或許可以不再使用抗生素來治療。另外，lipocalin 2是否也能抑制相同使用enterochelin的細菌呢 ﹖如炭疽桿菌。仍需實驗來證明。

References :

1. Goetz, D.H. et al. The neutrophil lipocalin NGAL is a bacteriostatic agent that interferes with siderophore-mediated iron acquisition. Mol. cell 10, 1033-1043 (2002).

2. Winkelmann, G. Microbial siderophore –mediated transport. Biochim. Biophys. Acta 1482, 298-307 (2000).

3. Trude H Flo et al. Lipocalin 2 mediates an innate immune response to bacterial infection by sequestrating iron. Nature, 1-5 (2004).