2011年9月14日，北京生命科学研究所邵峰博士实验室在Nature 杂志(Advance Online Publication)发表题为“The NLRC4 inflammasome receptors for bacterial flagellin and type III secretion apparatus”的文章。该文章报道了一类存在于巨噬细胞中的先天性免疫受体分子能够直接识别来自病原菌的鞭毛蛋白分子和三型分泌系统的组成蛋白分子进而激活炎症小体介导的巨噬细胞免疫反应。
革兰氏阴性致病菌的鞭毛系统和三型分泌系统都是具有通道结构的分子转运系统，且在进化上有相关性。前者的主要功能是负责细菌的运动。而后者通过向宿主细胞内分泌毒力效应蛋白，从而干扰或阻断宿主中重要的信号转导通路，是细菌致病的重要机制。同时，宿主的免疫系统也已发育出多个层次的防御机制；主要分为先天性免疫和获得性免疫。巨噬细胞作为先天性免疫的重要组成部分在识别和感受来自病原菌的分子、进而拮抗和清除病原菌感染中发挥着重要作用。
炎症小体（inflammasome）是继Toll样受体介导的先天性免疫反应信号通路后、最近几年刚刚发现的又一个主要存在于巨噬细胞中的重要免疫感受和激活的信号通路。炎症小体被认为是由一类存在于细胞内的NOD样受体分子介导组装。炎症小体在感受到来自病原菌的信号分子后，通过激活炎症性caspase-1，进而导致白介素（IL-1β和IL-18）等炎症因子的成熟和分泌以及一种称为“pyrotosis”的特殊细胞死亡的发生。炎症小体的激活为机体提供对致病菌的抵御作用。此前的研究仅仅知道个别NOD样受体分子（比如NLRC4）对于感受特定的病原菌分子（如鞭毛蛋白分子）是必不可少的，但还未有任何NOD样分子被证明为具有受体的功能，在激活炎症小体信号通路中起作用。
这篇文章报道了一类叫做NAIP的、具有BIR结构域的新型NOD样受体分子，并首次证实了这类分子具有受体的功能，可以直接识别和结合来自病原菌的不同配体分子。小鼠的基因组编码7个NAIP家族的蛋白分子，其中4个（NAIP1, NAIP2, NAIP5和NAIP6）在通常使用的实验小鼠品系有表达。该文章通过大量的生物化学和细胞生物学的实验证明了NAIP5以及和NAIP5最为相似的NAIP6能够特异性识别并直接结合病原菌的鞭毛蛋白分子，从而通过和NLRC4发生进一步相互作用进而激活Caspase-1和炎症小体介导的巨噬细胞先天性免疫反应。利用噬肺军团菌以及沙门氏菌的遗传敲除和感染的实验，他们也证明了NAIP5在巨噬细胞感受鞭毛蛋白分子进而激活caspase-1炎症信号通路中必不可少的作用。邵峰小组还发现NAIP2具有和NAIP5类似的，作为受体分子介导NLRC4炎症小体组装和激活的功能，但NAIP2并不识别鞭毛蛋白，而是特异性识别三型分泌系统的基座组成蛋白分子(rod component)，进而和NLRC4组装成活性的炎症小体。这种由NAIP2介导的炎症小体的激活在巨噬细胞感受和拮抗肠致病大肠杆菌和沙门氏菌的感染中起到重要的作用。与小鼠不同的是，人的基因组只编码一个NAIP家族分子（hNAIP）。他们发现人源的巨噬细胞对鞭毛蛋白和三型分泌系统的基座蛋白分子都没有响应，却对一种叫做紫花色杆菌（Chromobacterium violaceum）的病原菌感染有很强的反应，进一步通过对紫花色杆菌的遗传敲除分析，邵峰小组的研究人员发现紫花色杆菌引起的炎症小体的激活是由于人的hNAIP也可以作为受体分子特异性识别三型分泌系统的另外一个用于形成通道的“Needle”蛋白分子。进一步的实验发现，和基座蛋白分子一样，很多来自不同病原菌的三型分泌系统的“Needle”蛋白分子都具有刺激炎症小体介导的先天性免疫反应的活性。
这项研究首次确立了小鼠的NAIP5分子是感受和识别病原菌鞭毛蛋白分子的胞内免疫受体，同时也确立了整个NAIP家族的NOD样蛋白分子是一类普遍的可以感受不同病原菌分子、进而激活由NLRC4介导的炎症小体的受体分子。另外，这项研究工作也明确提出了病原菌三型分泌系统本身也是一类会被宿主免疫系统感受的病原菌模式分子（pathogen-associated molecular patterns, PAMP），不同的三型分泌系统组成分子分别由不同的NAIP家族受体分子所识别。该研究成果也预示其它的NAIP家族成员很可能是识别其它类似病原菌分子的炎症小体受体分子。整个研究工作对深入理解和揭示炎症小体介导的先天性免疫信号通路的机制有着重要的指导意义和极大的推动作用。
博士研究生赵越和杨杰凌为本文共同第一作者；研究生石建金、巩乙南和徐浩对本项研究也有重要贡献；其他参与此项工作的还有邵峰小组的陆秋鹤博士和技术员柳丽萍；邵峰博士为本文通讯作者。
此项研究为科技部973和北京市科委资助课题，完全在北京生命科学研究所完成。(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.
