nature

当前位置: Nature » 免疫学 » 正文

北京生科所揭示特异性识别致病细菌感染的免疫机制

摘要 : 北京生命科学研究所邵峰实验室的研究人员发现,Pyrin蛋白(遗传突变导致家族性地中海热自炎症疾病)可以作为PRR蛋白感受多种不同病原菌和毒素对机体Rho家族小G蛋白的修饰和失活,进而介导巨噬细胞炎症小体(inflammasome)复合物的组装和下游炎性蛋白酶caspase-1的激活,启动抗细菌炎症反应。相关文章发表于《Nature》杂志上。

机体天然免疫系统识别和感受来自微生物的各种模式分子,在诱导免疫反应拮抗病原感染致病中起重要作用。天然免疫的核心是存在于细胞膜上或胞质内的模式识别受体(PRR)。在此前有关人和哺乳动物天然免疫的研究中,鲜有关于区分致病菌和非致病菌(如共生菌)的PRR蛋白功能及相关机制的报道。

邵峰实验室于2011年首次鉴定出NAIP家族的PRR蛋白不仅可以作为受体直接识别细菌鞭毛素蛋白,也可以识别存在于一大类致病菌中的毒力因子分泌系统的组成蛋白(Zhao et al., Nature 2011)。在这项最新的研究中,邵峰团队发现Pyrin蛋白(遗传突变导致家族性地中海热自炎症疾病)可以作为PRR蛋白感受多种不同病原菌和毒素对机体Rho家族小G蛋白的修饰和失活,进而介导巨噬细胞炎症小体(inflammasome)复合物的组装和下游炎性蛋白酶caspase-1的激活,启动抗细菌炎症反应。报道该研究发现的论文于2014年6月11日在《Nature》杂志在线发表。

艰难梭菌(Clostridium difficile)是抗生素应用诱导院内感染进而引起严重腹泻和伪膜性肠炎的最主要病原。近年来,由于抗生素大量使用院内感染艰难梭菌日益严重,美国、欧洲和中国均报道艰难梭菌感染已经达到住院人数的0.1-0.2%并造成约10%感染人群死亡。艰难梭菌致病主要依赖其分泌的两个功能类似的外毒素TcdA和TcdB。 TcdA/B具有糖基转移酶活性,特异性修饰和失活宿主细胞内的Rho家族小G蛋白。在这项研究中,邵峰实验室的研究人员首先发现TcdB进入巨噬细胞后可以强烈激活caspase-1和炎症小体通路,这种激活依赖于其对Rho蛋白的糖基化修饰。为了寻找能够感受TcdB活性的天然免疫感受蛋白,他们成功建立了非巨噬细胞炎症小体通路重组系统,从20多个可能的PRR蛋白中筛选出Pyrin蛋白。紧接着利用大量的细胞生物学和生物化学的实验, 他们在多种人源或鼠源的巨噬细胞验证了Pyrin蛋白确实能够感受TcdB对Rho蛋白的修饰进而通过炎症小体激活caspase-1。利用最新的基因组编辑技术(TALEN),研究人员还制备了Pyrin敲除的小鼠,证实Pyrin对巨噬细胞响应TcdB和激活炎症小体必不可少。

修饰并失活Rho家族小G蛋白是诸多病原菌为控制宿主细胞骨架和抑制吞噬经常采用的机制,文献中已有多种修饰Rho蛋白的细菌毒素报道,它们通过不同的化学修饰抑制Rho蛋白功能。邵峰实验室的研究也发现另外三种已知的细菌毒力因子,包括来自副溶血性弧菌(Vibrio parahaemolyticus)的VopS和睡眠嗜组织菌(Histophilus somni)的IbpA以及肉毒杆菌(Clostridium botulinum)的C3毒素都可以通过修饰Rho蛋白激活Pyrin炎症小体。有趣的是,这些细菌毒素都修饰Rho蛋白上一个叫做switch I的区域,但采用的化学基团却完全不一样,说明Pyrin并不直接识别修饰基团本身,而是感受修饰导致的失活。另外,此前有文献报道洋葱伯克氏菌(Burkholderia cenocepacia)感染导致Rho蛋白的失活,但具体机理不明。邵峰实验室深入研究发现洋葱伯克氏菌感染和艰难梭菌的TcdB毒素类似,也能够诱导Pyrin炎症小体的激活。通过质谱学的方法,他们还首次发现洋葱伯克氏菌感染造成了Rho蛋白发生一个脱氨修饰(41位天冬酰胺转换为天冬氨酸)。进一步的巨噬细胞和小鼠呼吸道感染的实验表明Pyrin能够特异性地响应洋葱伯克氏菌的感染,激活小鼠肺部的免疫炎症反应,从而抑制细菌的增殖。

此前的研究表明Pyrin的遗传突变会造成一种叫做家族性地中海热的自炎症疾病,该项研究首次阐明了该疾病基因的正常生理功能,即作为胞内模式识别受体感受病原菌对宿主Rho蛋白的修饰,从而实现对相关致病细菌的特异性识别。另外,该研究成果对目前基于TcdA/B毒素的疫苗和中和性抗体的开发以及洋葱伯克氏菌在囊肿性纤维化病人中引起严重甚至致死性肺炎的机制也提供了重要启示作用。

我所博士后徐浩与杨杰凌为本文共同第一作者(分别为我所2009级与2008级博士生),NIBS与中国农业大学联合培养博士生高文青也对本工作有重要贡献。本文其它作者包括我所博士生李鹏,博士后张丽,巩乙南,辅助中心李琳,彭晓兰,陈涉博士和王凤超博士以及北京大学席建忠博士。邵峰博士为本文通讯作者,该研究由科技部973和北京市政府以及美国HHMI资助,在北京生命科学研究所完成。

原文摘要:

Innate immune sensing of bacterial modifications of Rho GTPases by the Pyrin inflammasome

Hao Xu, Jieling Yang, Wenqing Gao, Lin Li, Peng Li, Li Zhang, Yi-Nan Gong, Xiaolan Peng,Jianzhong Jeff Xi, She Chen, Fengchao Wang & Feng Shao

Cytosolic inflammasome complexes mediated by a pattern recognition receptor (PRR) defend against pathogen infection by activating caspase 1. Pyrin, a candidate PRR, can bind to the inflammasome adaptor ASC to form a caspase 1-activating complex. Mutations in the Pyrin-encoding gene, MEFV, cause a human autoinflammatory disease known as familial Mediterranean fever. Despite important roles in immunity and disease, the physiological function of Pyrin remains unknown. Here we show that Pyrin mediates caspase 1 inflammasome activation in response to Rho-glucosylation activity of cytotoxin TcdB, a major virulence factor ofClostridium difficile, which causes most cases of nosocomial diarrhoea. The glucosyltransferase-inactive TcdB mutant loses the inflammasome-stimulating activity. Other Rho-inactivating toxins, including FIC-domain adenylyltransferases (Vibrio parahaemolyticus VopS and Histophilus somniIbpA) and Clostridium botulinum ADP-ribosylating C3 toxin, can also biochemically activate the Pyrin inflammasome in their enzymatic activity-dependent manner. These toxins all target the Rho subfamily and modify a switch-I residue. We further demonstrate that Burkholderia cenocepaciainactivates RHOA by deamidating Asn 41, also in the switch-I region, and thereby triggers Pyrin inflammasome activation, both of which require the bacterial type VI secretion system (T6SS). Loss of the Pyrin inflammasome causes elevated intra-macrophage growth of B. cenocepacia and diminished lung inflammation in mice. Thus, Pyrin functions to sense pathogen modification and inactivation of Rho GTPases, representing a new paradigm in mammalian innate immunity.

来源: 北京生命科学研究所 浏览次数:89

热门文章TOP

RSS订阅 - 填写您的邮件地址,订阅我们的精彩内容: - 网站地图
网站联系电话:020-87540820 备案号:粤ICP备11050685号-8 增值电信业务经营许可证:粤B2-20120479
©2011-2015 生物帮 All rights reserved.