炎性小体

概念

胚系编码的一一些受体,例如NLR,ALR,TRIM在外界刺激(通常是病原体)下,会形成一个更大分子量的复合物,也就是炎性小体,炎性小体会通过ASC来招募促炎性的蛋白,即caspase-1。

炎性小体的大致结构如下所示1:

炎性小体的核心结构进而会招募并寡聚化(oligomerize)半胱氨酸蛋白酶caspase-1,其中caspase-1是以丝状的形式存在的,如上图所示,这种丝状的结构会促进caspase-1自身的活化。

ASC蛋白位于中间,它的N端是PYD,C末端是CARD,其中CARD参与caspase-1的相互作用。caspase-1会切除炎症细胞因子IL-1beta与IL-18的前体,将它们释放到细胞外。

炎性小体的活化会诱导细胞的裂解死亡,这种形式称为焦亡(pyroptosis),这是细胞对抗病原体的一种免疫机制。

在天然免疫中,炎性小体是一个重要的组成成分,书中对炎性小体的定义如下所示2

By definition, inflammasomes are scaffolds for activation of the inflammatory cysteine-dependent aspartate-specific protease caspase-1.

也就是说,炎性小体是一类脚手架蛋白(scaffold),其功能是参与光胱氨酸依赖的天冬氨酸特异性蛋白酶caspase-1的活化,这种酶活化后参与炎性细胞因子,IL-1beta,IL-18的成熟与分泌, 以及参与焦亡,与焦亡相关的另外一个酶是caspase-11。

pyroptosis是宿主细胞的一种防御机制,它能裂解那些被病原体感染的细胞,从而将病原体暴露出来,与免疫细胞接触。pyroptosis相关的细胞裂解还会释放DAMP,例如IL-1瞢a和HMGB1。

PRRs作为炎性小体的脚手架蛋白

常见的炎性小体结构如下所示2

NLRP1, NLRP2,NLRP3,NLRP6,NLRC4以及NLRP12它们都含有一个NBD,NBD也被称为NACHT。还含有一个LRR,剩下的要么含有CARD,要么含有PYD。

AIM2与IFI16是PYHIN家族成员,它们都含有PYD与HIN200结构域,这两个结构域参与配体结合4

其它文献关于它们的结构总结如下所示:

其中的缩写如下所示:

  1. PYD: Pyrin domain
  2. NLR: nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat containing receptors
  3. NACHT:NAIP-CIITA-HET-E domain
  4. NAIP: neuronal apoptosis inhibitor protein
  5. LRR: leucine-rich repeat
  6. NOD: nucleotide-binding oligomerization domain
  7. FIND:‘ Function to find ’ domain
  8. CARD: Caspase recruitment domain
  9. BIR: Baculovirus inhibitor repeat(Baculovirus是杆状病毒)
  10. NLRP: NLR family, pyrin domain containing
  11. NLRC: containing a caspase recruitment domain
  12. NLRB: containing a Baculovirus inhibitor repeat (BIR) domain
  13. Hin200: Hematopoietic interferon-inducible nuclear protein family, 200 amino acid repeat
  14. CC: coiled-coil

NLRs(这个s指的是P,C,B,也就是NLRP,NLRB,NLRC这3种炎性小体)这种结构的炎性小体的结构前文已经提及,它含有NACHT/NBD,LRR,这两个组件(NACHT与LRR)通常位于中央。多数的NLRs型炎性小体在氨基端还有BIR,PYD,CARD这些结构。

NLR家族一共有22个人类炎性小体,有34个鼠源炎性小体。

炎性小体功能

哺乳动物的NLRs有几个阐明功能了,其余的功能还不清楚。其中研究比较透彻的是NOD1和NOD2(nucleotide-binding oligomerization domain containing proteins 1/2),他们能促进RIPK2与CARD9依赖的NF-kappaB与AP1靶基因的活化。MHC II在抗原提呈中也需要NLR蛋白CIITA的参与。

另一个NLRs亚家族,也就是NLRP1,NLRP3,NLRC4和NAIP通过炎性小体信号转导参与免疫应答。

信号转导诱导PRR的聚集与招募,促进procaspase-1丝状物的成核,随后procaspase-1会经历邻近诱导的自我活化(proximity-induced autoactivation)。

相关细胞因子

IL-1beta与IL-18的分泌与其它的细胞因子不同,proIL-1beta和proIL-18最先是以非活性的形式(前体)分泌到细胞质中,然后再经caspase-1的切割,形成生物活性形式。

NLRP3

NLRP3能对大量的激活剂产生应答,它需要NF-kappaB信号的诱导才能活化。NF-kappaB信号是第一信号 (signal 1或priming)。例如NF-kappaB调控物A20/TNFAIP3缺陷的小鼠就无法出现 NLRP3的活化。

signla 2:细菌,真菌的一些成分会诱导NLRP3的活化,除了经典的刺激(细菌成分)诱导 NLRP3炎性小体外,还有一些其它的蛋白能诱导NLRP3的活化,这些属于NLRP3的非经典活化内容,例如人类的caspase-11或它的鼠源直系同源蛋白 caspase-4和caspase-5参与细胞质LPS诱导的NLRP3炎性小体的活化。在这些非经典信号通路中,caspase-11诱导的pyroptosis并不依赖于NLRP3炎性小体 ,但是proIL-1beta与por-IL-18的切割却要通过NLRP3来实现 。在观其NLRP3活化过程中,K+是一种重要的诱导物。

非经典NLRP3炎性小体信号转导通常在格兰氏阴性菌的识别过程中有着重要作用。

pyroptosis的一个关键事件就是Gasdermin D的切割,它的切割与LPS诱导的caspase-11和caspase-1有关。

线粒体膜的破坏,以及线粒体DNA的氧化是NLRP3活化的一个因素。

线粒体异常有时候伴随着离子流的异常,这种行为也会控制NLRP3的活化。心磷脂(cardiolipin)的释放,氧化的线粒体DNA与线粒体膜的破坏都是NLRP3活化的第二信使。最近发现的Nek7是NLRP3活化的一个关键蛋白,它控制K+的流入来影响NLRP3的组装。

NLRP1

NLRP1是第1个发现的炎性小体,它通常FIIND结构域进行自我切割,FIIND位于CARD与LRR中间。人类有1个NLRP1基因,小鼠有3个,分别是Nlrp1a,Nlrp1b与Nlrp1c。Nlrp1b在Bacillus anthracis的LeTx(lethal toxin)诱导下进行组装。ASC对于Nlrp1b依赖的IL-1beta和IL-18分泌来说并非是必不可少的,只是ASC能够增强这两种细胞因子的分泌。这表明,proaspase-1招募到Nlrp1b平台上后,会诱导caspase-1构象的改变,诱导其活化,而ASC依赖的caspase-1自我切割则会锁定这种活化构象。

炎性小体活化的经典与非经典通路:

NLRC4

NLRC4与其它炎性小体的结构如下所示3

上图列出了NLRC4活化的上游机制,NLRC4在氨基末端有一个CARD,在没有ASC的前提下,NLRC4通过CARD与procaspase-1相互作用。一些微生物能活化NLRC4的活化,例如Salmonella enterica serovar Typhimurium, Legionella pneumophila,Pseudomonas auruginosa,Shigella fl exneri, Listeria monocytogenes),这些细菌的毒力因子都是依赖于鞭毛蛋白(flagellin)介导的运行,会向宿主细胞传递T3SS和T4SS。NLRC4不直接检测这些毒力因子,而是NAIP检测到这些成分后,再作用于NLRC4。人类的全长NAIP与小鼠的Naip5,Naip6是鞭毛蛋白的受体。人类短的NAIP与小鼠的Nip1能识别T3SS的针状蛋白(needle protein),但Naip2则能与T3SS杆状蛋白(rod protein)结合。S. Typhimurium能诱导NLRC4在Ser533位点的磷酸化,进而活化NLRC4。

在Naip5缺陷的巨噬中,falgellin依赖的NLRC4磷酸化并不依赖地Naip5。这说明,Nlrc4的活化机制分两步,先是在Ser533位点磷酸化,随后,Naip5再诱导NLRC4的活化。NLRC4与天然免疫有关,也与自身免疫性疾病有关。

AIM2

AIM2全称是absent in melanoma2,这是一个HIN200家族/AIM2家族的一个成员(ALR)。当细菌或病毒来源的dsDNA与Hin200结构域结合时,就会诱发AIM2炎性小体的组装。AIM2会诱导髓系细胞(myeloid cells)产生IL-1beta和IL-18,诱导细胞的pyroptosis。AIM2在控制一些病原体感染方面有着重要作用,例如 Francisella tularensis,Listeria monocytogenes,mouse cytomegalovirus,vaccinia virus。

Pyrin

人类MEFV基因编码Pyrin/TRIM20蛋白,这是一个TRIM家族的成员。Pyrin主要表达于髓系细胞(myeloid cell),在单核细胞向巨噬分化过程中,Pyrin的表达会降低。RhoA-inactivating bacterial toxins会诱导Pyrin组装成炎性小体,激活caspase-1,参与IL-1beta的分泌。

炎性小体的组装与信号转导

ASC依赖的炎性小体的组装过程:

上游的NLR或ALR识别其配体后,会通过PYD或CARD聚集,聚集的NLR或ALR会形成一个平台,通过PYD-PYD或CARD-CARD的相互作用来招募ASC,形成一个丝状的核心。其中ASC(CARD)位于外层,它形成另外一个平台,通过CARD-CARD的相互作用来招募caspase-1,高度聚合化折caspase-1会诱导自身的切割,产生活性炎性小体。

Listeria monocytogenes与炎性小体

Lm能激活不同的炎性小体。

NLRP3与Lm

Lm是第一个发现的能激活NLRP3的病原体。Mariathasan发现,细胞质中的Lm能激活NLRP3炎性小体,但是被囊泡包裹的Lm无法激活炎性小体,这说明被囊泡包裹这一过程对于炎性小体的活化非常重要。Kannengati观察到,Lm的总RNA能刺激NLRP3的活化,这进一步说明,LM能通过各种机制来刺激NLRP3。

胞外的LLO形成的孔洞会诱导K+外流,导入NLRP3炎性小体的活化。除此之外,Lm的RNA,iap基因编码的p60也能激活NLRP3。p60的N端LysM与SH3结构域刺激IL-1beta和IL-18的释放,这些活动独立于细胞的焦亡形式死亡。使用DPI抑制ROS能降低IL-1beta的分泌,但IL-18的分泌不受影响。这些实验是在小鼠细胞上做的。

在人类PBMC实验方面,使用Lm感染PBMC,细胞会经历LLO诱导的NLRP3依赖的炎性小体活化,这种炎性小体一的活化依赖于吞噬泡的西化与cathepsin B的释放,这些现象与小鼠的细胞有所不同。

Lm诱导的快速NRLP3的活化依赖于TLR信号转导,因为MyD88缺陷的细胞无法活化炎性小体。这些应答依赖于MyD88的下游信号分子IRAK1,因此IRAK1缺陷的细胞无法激活炎性小体,以及无法分泌IL-1beta和IL-18。但是,在致敏状态(priming),IRAK1对于炎性小体的活化又不是必需的。另外,延长感染时间会出现Lm诱导的非NLRP3依赖的炎性小体活化。总之就是,LM在早期感染中激活NLRP3。

NLRC4与Lm

NRLC4识别鞭毛蛋白(flagellin)与T3SS(Type III secretion system)。

Lm是格兰阳性菌,不含T3SS成分,它的鞭毛蛋白是激活NLRC4的成分。但Lm鞭毛蛋白似乎并非只激活NRLC4,因为使用鞭毛蛋白缺陷菌ΔflaA来感染,也能产生caspase-1的活化以及形成IL-1beta。

AIM2与Lm

AIM2通常HIN200结构域来识别dsDNA。前面提到,在NLRP3缺失的情况下,鞭毛蛋白缺陷菌ΔflaA也能诱导caspase-1的活化。但在AIM2缺陷的细胞中,caspase-1的活化则会消失。

Lm的DNA激活AIM2。

其它炎性小体

NLRC5与NLRP3结合参与NLRP3的活化。NLRC5敲除的小鼠感染Lm后,载菌是不是更多,机制不明。NLRP6敲除的小鼠载菌量低,NLRPP6在LM感染方面的作用,不依赖于炎性小体的信号转导。Lm在刺激炎性小体方面的作用,体外数据很好,但是体内数据研究机制不明,其中AIM2有可能与体内相关炎性小体最密切的一个炎性小体。

在体外实验中,虽然LM能激活很多炎性小体,但是在体内感染方面,Lm会避免过度激活炎性小体,从而避免自身被清除,它已经进化出了逃避炎性小体监测的机制。

Lm会通过调控自身LLO,鞭毛蛋白(flagellin)来逃避宿主细胞的监测。

Lm的感染会诱导caspase-11的表达,但是敲除caspase-11后,caspase-1的功能不受影响,这说明caspase-11对于Lm的感染来说是可有可无的。

ASC敲除的异噬细胞无法激活caspase-1,不能分泌IL-1beta和IL-18.

Lm激活与逃避炎性小体监测的机制:

Fig1:WT LM能最小程度地激活caspase-1,维持Lm在细胞内的存活,最终形成感染。相比之下,那些能激活炎性小体的Lm会诱导强烈的caspase-1以及pyroptosis,释放IL-1beta和IL-18,最终导致Lm的清除,增强活化巨噬细胞的招募,中性粒细胞的流入。

炎性小体的活化能清除Lm。

炎性小体相互关的炎症会损伤宿主针对Lm的细胞免疫。

炎性小体研究思路

参考资料

1:Janeway immunobiology. 9th

2:Backert S . Inflammasome Signaling and Bacterial Infections[M]. Springer International Publishing, 2016.
3: Lamkanfi, M. and Vishva M. Dixit (2014). “Mechanisms and Functions of Inflammasomes.” Cell 157(5): 1013-1022.

4. Inflammasomes in health and disease.Nature. 2012 Jan 18;481(7381):278-86. doi: 10.1038/nature10759.