2011年9月14日，北京生命科學(xué)研究所邵峰博士實驗室在Nature 雜志(Advance Online Publication)發(fā)表題為“The NLRC4 inflammasome receptors for bacterial flagellin and type III secretion apparatus”的文章,。該文章報道了一類存在于巨噬細胞中的先天性免疫受體分子能夠直接識別來自病原菌的鞭毛蛋白分子和三型分泌系統(tǒng)的組成蛋白分子進而激活炎癥小體介導(dǎo)的巨噬細胞免疫反應(yīng),。
革蘭氏陰性致病菌的鞭毛系統(tǒng)和三型分泌系統(tǒng)都是具有通道結(jié)構(gòu)的分子轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，且在進化上有相關(guān)性,。前者的主要功能是負責(zé)細菌的運動,。而后者通過向宿主細胞內(nèi)分泌毒力效應(yīng)蛋白，從而干擾或阻斷宿主中重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，是細菌致病的重要機制,。同時,，宿主的免疫系統(tǒng)也已發(fā)育出多個層次的防御機制；主要分為先天性免疫和獲得性免疫,。巨噬細胞作為先天性免疫的重要組成部分在識別和感受來自病原菌的分子,、進而拮抗和清除病原菌感染中發(fā)揮著重要作用。
炎癥小體（inflammasome）是繼Toll樣受體介導(dǎo)的先天性免疫反應(yīng)信號通路后,、最近幾年剛剛發(fā)現(xiàn)的又一個主要存在于巨噬細胞中的重要免疫感受和激活的信號通路,。炎癥小體被認為是由一類存在于細胞內(nèi)的NOD樣受體分子介導(dǎo)組裝。炎癥小體在感受到來自病原菌的信號分子后,，通過激活炎癥性caspase-1,，進而導(dǎo)致白介素（IL-1β和IL-18）等炎癥因子的成熟和分泌以及一種稱為“pyrotosis”的特殊細胞死亡的發(fā)生。炎癥小體的激活為機體提供對致病菌的抵御作用,。此前的研究僅僅知道個別NOD樣受體分子（比如NLRC4）對于感受特定的病原菌分子（如鞭毛蛋白分子）是必不可少的,，但還未有任何NOD樣分子被證明為具有受體的功能，在激活炎癥小體信號通路中起作用,。
這篇文章報道了一類叫做NAIP的,、具有BIR結(jié)構(gòu)域的新型NOD樣受體分子，并首次證實了這類分子具有受體的功能,，可以直接識別和結(jié)合來自病原菌的不同配體分子,。小鼠的基因組編碼7個NAIP家族的蛋白分子，其中4個（NAIP1, NAIP2, NAIP5和NAIP6）在通常使用的實驗小鼠品系有表達,。該文章通過大量的生物化學(xué)和細胞生物學(xué)的實驗證明了NAIP5以及和NAIP5最為相似的NAIP6能夠特異性識別并直接結(jié)合病原菌的鞭毛蛋白分子,，從而通過和NLRC4發(fā)生進一步相互作用進而激活Caspase-1和炎癥小體介導(dǎo)的巨噬細胞先天性免疫反應(yīng)。利用噬肺軍團菌以及沙門氏菌的遺傳敲除和感染的實驗,，他們也證明了NAIP5在巨噬細胞感受鞭毛蛋白分子進而激活caspase-1炎癥信號通路中必不可少的作用,。邵峰小組還發(fā)現(xiàn)NAIP2具有和NAIP5類似的，作為受體分子介導(dǎo)NLRC4炎癥小體組裝和激活的功能,，但NAIP2并不識別鞭毛蛋白,，而是特異性識別三型分泌系統(tǒng)的基座組成蛋白分子(rod component)，進而和NLRC4組裝成活性的炎癥小體,。這種由NAIP2介導(dǎo)的炎癥小體的激活在巨噬細胞感受和拮抗腸致病大腸桿菌和沙門氏菌的感染中起到重要的作用,。與小鼠不同的是，人的基因組只編碼一個NAIP家族分子（hNAIP）,。他們發(fā)現(xiàn)人源的巨噬細胞對鞭毛蛋白和三型分泌系統(tǒng)的基座蛋白分子都沒有響應(yīng),，卻對一種叫做紫花色桿菌（Chromobacterium violaceum）的病原菌感染有很強的反應(yīng)，進一步通過對紫花色桿菌的遺傳敲除分析,，邵峰小組的研究人員發(fā)現(xiàn)紫花色桿菌引起的炎癥小體的激活是由于人的hNAIP也可以作為受體分子特異性識別三型分泌系統(tǒng)的另外一個用于形成通道的“Needle”蛋白分子,。進一步的實驗發(fā)現(xiàn),，和基座蛋白分子一樣，很多來自不同病原菌的三型分泌系統(tǒng)的“Needle”蛋白分子都具有刺激炎癥小體介導(dǎo)的先天性免疫反應(yīng)的活性,。
這項研究首次確立了小鼠的NAIP5分子是感受和識別病原菌鞭毛蛋白分子的胞內(nèi)免疫受體,，同時也確立了整個NAIP家族的NOD樣蛋白分子是一類普遍的可以感受不同病原菌分子、進而激活由NLRC4介導(dǎo)的炎癥小體的受體分子,。另外,，這項研究工作也明確提出了病原菌三型分泌系統(tǒng)本身也是一類會被宿主免疫系統(tǒng)感受的病原菌模式分子（pathogen-associated molecular patterns, PAMP），不同的三型分泌系統(tǒng)組成分子分別由不同的NAIP家族受體分子所識別,。該研究成果也預(yù)示其它的NAIP家族成員很可能是識別其它類似病原菌分子的炎癥小體受體分子,。整個研究工作對深入理解和揭示炎癥小體介導(dǎo)的先天性免疫信號通路的機制有著重要的指導(dǎo)意義和極大的推動作用。
博士研究生趙越和楊杰凌為本文共同第一作者,；研究生石建金,、鞏乙南和徐浩對本項研究也有重要貢獻；其他參與此項工作的還有邵峰小組的陸秋鶴博士和技術(shù)員柳麗萍,；邵峰博士為本文通訊作者,。
此項研究為科技部973和北京市科委資助課題，完全在北京生命科學(xué)研究所完成,。(生物谷Bioon.com)
doi:10.1038/nature10510
PMC:
PMID:
The NLRC4 inflammasome receptors for bacterial flagellin and type III secretion apparatus
Yue Zhao,Jieling Yang,Jianjin Shi,Yi-Nan Gong,Qiuhe Lu,Hao Xu,Liping Liu & Feng Shao
Inflammasomes are large cytoplasmic complexes that sense microbial infections/danger molecules and induce caspase-1 activation-dependent cytokine production and macrophage inflammatory death1, 2. The inflammasome assembled by the NOD-like receptor (NLR) protein NLRC4 responds to bacterial flagellin and a conserved type III secretion system (TTSS) rod component3, 4, 5. How the NLRC4 inflammasome detects the two bacterial products and the molecular mechanism of NLRC4 inflammasome activation are not understood. Here we show that NAIP5, a BIR-domain NLR protein required for Legionella pneumophila replication in mouse macrophages6, is a universal component of the flagellin–NLRC4 pathway. NAIP5 directly and specifically interacted with flagellin, which determined the inflammasome-stimulation activities of different bacterial flagellins. NAIP5 engagement by flagellin promoted a physical NAIP5–NLRC4 association, rendering full reconstitution of a flagellin-responsive NLRC4 inflammasome in non-macrophage cells. The related NAIP2 functioned analogously to NAIP5, serving as a specific inflammasome receptor for TTSS rod proteins such as Salmonella PrgJ and Burkholderia BsaK. Genetic analysis of Chromobacterium violaceum infection revealed that the TTSS needle protein CprI can stimulate NLRC4 inflammasome activation in human macrophages. Similarly, CprI is specifically recognized by human NAIP, the sole NAIP family member in human. The finding that NAIP proteins are inflammasome receptors for bacterial flagellin and TTSS apparatus components further predicts that the remaining NAIP family members may recognize other unidentified microbial products to activate NLRC4 inflammasome-mediated innate immunity.
