生物通報道:來自北京生命科學研究所的邵峰研究員(專訪邵峰:著眼于感興趣,但機理完全不清楚的研究),主要研究方向是病原細菌感染宿主和宿主先天性免疫防御的分子機制,曾發表多篇Nature,Science,Cell雜志文章,榮獲HHMI首屆國際青年科學家獎。近期其研究組接連發表Nature,PNAS文章,分別報道了一種全新的病原菌毒力作用機制,以及人基因組中NAIP和小鼠的NAIP1的生物學功能。

在第一篇文章中,邵峰研究組成員與王曉東實驗室,北京大學合作,報道了腸道致病菌毒力效應蛋白NleB家族通過N-乙酰葡萄糖胺單糖基化修飾宿主死亡結構域中一個保守的精氨酸抑制死亡受體介導的炎癥和死亡信號通路,促進病原菌在宿主體內的生存和繁殖。

研究人員通過三型分泌系統將毒力效應蛋白“注射”到真核細胞內,從而阻斷或調節宿主的各種信號通路,是常見革蘭氏陰性致病菌感染和致病的重要機制。邵峰實驗室的一個研究方向是以痢疾桿菌和腸致病大腸桿菌(EPEC)等腸道菌為模型研究三型分泌系統在病菌逃逸和抑制天然免疫中的功能和分子機制。此前有關腸致病大腸桿菌的研究已報道了多個具有抑制宿主NF-κB炎癥反應活性的三型分泌系統效應蛋白(包括NleE和NleB等),但這些效應蛋白的生化作用機制以及他們在細菌感染動物中到底起什么樣的作用是該領域的一個重要問題。

邵峰實驗室在此前的研究中揭示了NleE效應蛋白抑制NF-κB通路的機制是通過甲基化修飾該通路中的TAB2/3分子C端鋅指結構域中的一個半胱氨酸,從而阻斷TAB2/3介導的泛素鏈信號識別和傳遞(Zhang et al., Nature 2012)。在這項關于NleB作用機制的研究中,他們首先發現NleB能有效抑制腫瘤壞死因子(TNFα)激活NF-κB炎癥反應,而對IL-1β激活NF-κB沒有影響。隨后他們綜合酵母雙雜交和免疫共沉淀等生化手段,鑒定出TNF受體(TNFR1)下游的接頭分子TRADD為NleB的宿主靶蛋白,并發現NleB作用于TRADD C端死亡結構域(death domain)并抑制其寡聚化。與生化結果一致的是,他們發現NleB不僅能抑制TNFα激活NF-κB炎癥反應,而且也能有效阻斷TNFα誘導細胞凋亡和壞死。通過一系列的質譜分析和體內外的生化實驗,他們進一步揭示NleB是一種全新的糖基轉移酶,對TRADD死亡結構域中235位的精氨酸進行N-乙酰葡萄糖胺化修飾,導致該結構域喪失寡聚化的活性。

人基因組編碼34個死亡結構域蛋白,其中三分之一都含有這個保守精氨酸,它們多在TNFR1、FAS和TRAIL等死亡受體通路中起重要功能。通過大量細菌感染和體外生化實驗,邵峰及其同事進一步發現,NleB可以高效修飾多個在死亡受體通路中起關鍵作用的接頭蛋白(TRADD,FADD和RIPK1),部分修飾TNFR1和FAS等死亡受體本身,但不能修飾不含有保守精氨酸的死亡結構域蛋白Myd88和IRAK1。其中對FAS的修飾位點正是在自身免疫性淋巴細胞增生綜合征(ALPS)中有高頻率突變的位點。他們的工作表明NleB最主要的功能實際上是通過阻斷死亡結構域介導的DISC(death inducing signaling complex)復合體的形成,從而抑制TNFα,FAS ligand和TRAIL等死亡受體配體誘導宿主細胞凋亡和壞死。在小鼠感染的實驗中,他們還發現NleB糖基轉移酶活性的缺失導致細菌不能在腸道中有效定殖。結合此前的工作,這項研究表明對腸致病大腸桿菌來說僅僅抑制NF-κB炎癥通路不足以幫助病菌實現宿主體內定殖,還需要抑制死亡受體介導的免疫防御通路。

該項研究首次報道病原菌可以直接作用于死亡受體復合物,展示了一種全新的病原菌毒力作用機制,揭示了腸致病大腸桿菌如何通過抑制天然免疫實現在宿主體內有效定殖的分子機制。更為重要的是,N-乙酰葡萄糖胺這種翻譯后修飾以前一直被認為只發生在絲氨酸/蘇氨酸上,這種O-連接的N-乙酰葡萄糖胺修飾在細菌到人中都保守,已有超過1,000 種蛋白被發現存在這種修飾,該修飾被認為和蛋白質磷酸化類似,在細胞信號轉導中起重要作用。邵峰實驗室的工作首次報道了在精氨酸上也可以發生N-乙酰葡萄糖胺修飾,由于以前對這種修飾的鑒定都是基于O-連接的假設,這項研究也暗示精氨酸N-乙酰葡萄糖胺化這種新型蛋白翻譯后修飾可能廣泛存在,在調節信號轉導中發揮重要作用。

此外,另外一篇文章則報道了人基因組中唯一的NAIP基因,以及其在小鼠中的同源基因NAIP1可以識別革蘭氏陰性致病菌三型分泌系統的針狀蛋白進而激活炎癥小體介導的天然免疫反應。

研究人員發現形成三型分泌系統通道的針狀蛋白在人和鼠的巨噬細胞中都可以很強地激活炎癥小體。通過大量的遺傳和生化實驗,他們進一步發現人類基因組中唯一的NAIP和小鼠中的NAIP1負責識別進入宿主細胞的針狀蛋白,從而介導炎癥小體的組裝、caspase-1的激活和白介素的分泌。常見革蘭氏陰性致病菌(如志賀氏痢疾桿菌和沙門氏菌)感染的實驗結果表明,通過NAIP家族的NLR分子特異性識別進入胞質內的細菌三型分泌系統針狀蛋白是一個在人源和鼠源巨噬細胞中普遍存在的天然免疫抵御機制。

另一方面,他們還發現,小鼠中不同的NAIP在不同類型的細胞中表達的量有所差別。例如,NAIP1在樹突狀細胞中的表達量遠高于巨噬細胞,而NAIP5則相反。與此一致的是,針狀蛋白在樹突狀細胞中引起更強的炎癥小體的激活,而鞭毛素蛋白在巨噬細胞中的反應則更強。他們也發現,來自于不同病原菌的同一類分子的活性有較大差異。例如,痢疾桿菌的針狀蛋白相對于其它病原菌的針狀蛋白激活炎癥小體的活性最強,感染的實驗也證實NAIP1 和人的NAIP分子在痢疾桿菌激活炎癥小體中起著最為關鍵的作用。這些發現進一步提示,不同類型小鼠細胞識別病原菌信號分子的偏好性不同,而不同病原菌被主要識別的分子也有所差異,為理解病原菌感染誘導炎癥反應的分子機制提供了新的思路。

這項研究首次揭示了人基因組中唯一的NAIP和小鼠的NAIP1的生物學功能,進一步證實了NAIP家族作為NLR樣受體識別病原菌相應分子的普遍性。本項也研究表明,病原菌三型分泌針狀蛋白是一類在人和鼠中保守的、能激活炎癥反應的病原菌模式分子(PAMP),對于病原菌疫苗和新型疫苗佐劑的研發有重要啟示作用。

原文摘要: