导读：
近日，美国寄生虫病实验室Alan Sher和Bruno B. Andrade团队在Nature microbiology（IF2023=20.5）杂志发表了题为“BACH1 promotes tissue necrosis and Mycobacterium tuberculosis susceptibility”的研究论文。该研究表明发现转录因子Nrf2活性抑制剂BACH1在结核分枝杆菌（Mtb）感染中的主要作用，结果提示不受控制的脂质过氧化可通过诱导细胞坏死和组织损伤决定结核病进展。
01研究背景
在2019年冠状病毒感染大流行之后，结核病再次成为单一病原体导致死亡的主要原因。结核分枝杆菌（Mtb）作为结核病发病的主要病原体可通过促进髓系细胞的坏死死亡和组织炎症发挥其致病性。作者在先前的研究中发现Mtb感染的髓系细胞坏死的机制为铁死亡，且Mtb感染的患者谷胱甘肽（GSH）水平和谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4 ）mRNA表达显著降低以及脂质过氧化升高，而这种抗氧化反应未能控制过量脂质活性氧（ROS）产生，一种解释可能是由于Bach1抑制了Nrf2的功能。作者为进一步了解Bach1在调节结核分枝杆菌感染和发病机制中的作用进行了以下研究。
02结果
为了验证BACH1可通过抑制Nrf2加剧铁死亡，作者进行了4个队列研究。分别在第1和第2个队列中分析发现肺结核（PTB）患者、临床结核病患者外周血CD14+单核细胞中的Bach1 mRNA水平表达增高。在一项针对青少年的队列中，在诊断为活动性结核病之前约8个月，发现他们的全血样本中的Bach1显著上调。在第4个队列研究中发现PTB患者的单核细胞的Bach1 mRNA表达量更高。此外，作者在PTB患者的尸检肺组织切片、恒河猴及B6.Sst1S小鼠感染结核杆菌模型的肺组织坏死肉芽肿中都观察到Bach1的表达增加。结果提示Bach1在活动性肺结核患者中表达升高，且在结核菌感染的动物模型中Bach1与组织坏死相关（图1）。
为了评估Bach1在Mtb感染中的功能，作者检测了在不同感染剂量下Bach1缺陷鼠和野生小鼠中结核分枝杆菌感染的结果。低剂量感染情况下Bach1缺陷鼠感染后的中位生存时间升高。随着感染时间的延长Bach1缺陷鼠的肺Mtb数比野生小鼠降低。相反，当以高剂量感染时，Bach1缺陷鼠对Mtb的抵抗力显著增强，死亡时间显著增长。通过一种检测垂死细胞的免疫荧光分析评估Mtb感染小鼠的组织坏死情况发现，Bach1缺陷鼠的肺部荧光亮度减弱，表明缺陷鼠的组织坏死情况好转。组织病理学检查结果显示Bach1缺陷鼠对组织损伤的显著保护作用，包括抗酸杆菌（AFB）、实质区域以及肉芽肿组织的大小显著减少。上述结果表明，Bach1缺乏可增强宿主对Mtb感染抵抗力, 并与细菌载量减少和组织坏死相关（图2）。
图2 Bach1缺陷可增强宿主对Mtb感染抵抗力
为了研究Bach1是否调节氧化还原反应，作者测定小鼠氧化还原相关指标发现Bach1缺陷鼠的肺显示出脂质过氧化染色减少，间质巨噬细胞和中性粒细胞中Gpx4的表达增加，肺总抗氧化状态（TAS）和GSH水平增加，炎性细胞因子（IL-12p40除外）和趋化因子水平显著降低。上述研究提示Bach1在调节宿主对结核分枝杆菌感染的易感性中的有害作用，且与氧化应激反应、肺组织损伤和炎症密切相关。紧接着，作者对小鼠的单细胞肺悬浮液流式分析发现Bach1缺陷鼠肺泡巨噬细胞的数量和比例增加，间质巨噬细胞以及中性粒细胞的数量和比例减少。为了进一步研究Bach1在肺泡巨噬细胞、间质巨噬细胞和中性粒细胞中内在机制，作者通过过继转移来自Bach1缺陷鼠和WT小鼠的骨髓细胞的1:1混合物来产生混合骨髓嵌合小鼠。用高剂量的Mtb感染小鼠后进行单细胞流式细胞术分析，发现与WT小鼠相比嵌合小鼠中来源于Bach1缺陷鼠的肺泡巨噬细胞显著富集，间质巨噬细胞和中性粒细胞比例降低。且Bach1缺陷的肺泡巨噬细胞、间质巨噬细胞和中性粒细胞显示出脂质过氧化减少以及Gpx4表达增强。上述结果表明，Bach1可调节肺对Mtb感染反应中宿主细胞的氧化应激（图3）。
图3 Bach1调节Mtb感染反应中宿主细胞的氧化应激
为了深入研究Bach1导致的Mtb易感性的机制，对Mtb感染的Bach1缺陷鼠和野生鼠的肺部单细胞悬浮液进行单细胞RNA测序。与其他免疫细胞相比，Bach1表达在肺泡巨噬细胞、中性粒细胞和间质巨噬细胞等群体的比例升高。与野生型动物相比，Bach1缺陷鼠表现出肺泡巨噬细胞的显著富集，同时中性粒细胞和巨噬细胞/单核细胞群体的比例降低。在两组小鼠中，Mtb感染均触发了诱导铁死亡相关基因（促氧化基因）。然而，当分析抑制铁死亡相关基因（如抗氧化基因）时，作者发现Bach1缺乏伴随着这些抑制铁死亡相关基因在髓细胞、内皮细胞以及肺细胞中富集。这些发现揭示了Bach1在不同细胞群体中调节铁死亡相关基因以应对Mtb感染的重要作用（图4）。
高坏死性肉芽肿是B6小鼠中低剂量Mtb感染的严重的标志。为了研究Bach1表达对该动物模型中宿主反应调节的影响，对B6.Sst1S和B6.Sst1S Bach1缺陷鼠的肺单细胞悬浮液进行RNA-seq分析。结果发现，B6.Sst1S Bach1缺陷鼠在结核分枝杆菌感染后干扰素刺激基因表达水平高于B6.Sst1S小鼠，而与铁和GSH代谢相关的基因表达水平低于B6.Sst1S小鼠。基因富集分析发现，结核分枝杆菌感染引发了B6.Sst1S小鼠许多与广泛组织炎症相关的途径，而B6.Sst1S Bach1缺陷鼠诱导了与抗菌肽相关的途径。并且，Bach1缺陷鼠表现出抑制铁死亡相关基因的表达增加，以及总抗氧化状态（TAS）水平和GSH水平升高以及脂质过氧化（MDA）水平降低，许多与炎症反应相关的细胞因子和趋化因子水平显著降低，如IL-1β、IL-1α、IL-17、TNF-α、MCP-1和KC/CXCL1，保护性细胞因子IFN-γ水平升高。综上，作者证实Bach1缺陷会增强宿主抗氧化反应，减少肺部的促炎反应（图5）。
03供稿者短评
在本项研究中作者从三种不同的结核分枝杆菌感染实验动物模型中证实，Bach1在结核病患者以及肺肉芽肿中的表达升高，Bach1基因消融可以显著增强宿主对小鼠Mtb感染的抵抗力。结果提示Bach1可通过影响谷胱甘肽（GSH）和铁代谢作为铁死亡的主要转录调节因子决定细胞命运。由于Nrf2是宿主抗氧化反应（包括GSH代谢）的主要上游调节因子，因此其抑制剂BACH1的抑制可能提供一种替代策略，用于增强酶及其辅助因子的表达，这对于增强宿主对结核分枝杆菌的抵抗以及后续相关药物的开发至关重要。
然而本文也存在些许不足：（一）文中图2e作者在研究不同Mtb感染剂量的Bach1 - / -和野生型小鼠感染情况中可以发现野生型小鼠体重下降明显，超过了动物伦理研究范围；（二）文中图4e作者选择的基因集不能代表铁死亡的全部基因，存在一定的局限性。
文献来源
https://doi.org/10.1038/s41564-023-01523-7
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编辑：胡 岗 排版：陈健英 审核：杨诗琦
