三型分泌系统针状蛋白和梭菌大毒素激活炎症小体的分子机制

论文摘要

炎症小体通路主要存在于巨噬细胞和树突状细胞中,在机体的炎症反应中起着非常重要的作用。炎症小体的激活通常导致半胱氨酸蛋白酶原caspase-1的自我剪切。自我剪切后的caspase-1组装成活性形式,一方面切割细胞因子IL-1β和IL-18成为成熟形式从而分泌进入血液发挥作用,另一方面开启一种巨噬细胞和树突状细胞所特有的炎性细胞死亡（pyroptosis）。炎症小体的激活通常依赖于一类驻扎在细胞质内的受体分子NLR（Nod Like Receptor）。 NLR是一个大的蛋白家族,在人基因组中有23个成员,鼠中有34个,它们的共同特征是具有一个中间的NBD结构域。在这些NLR中,大多数成员的功能是未知的。在炎症小体的研究中,很重要的一部分工作就是揭示这些NLR的功能和作用的机制。大多数具有Ⅲ型分泌系统的革兰氏阴性菌在感染巨噬细胞和树突状细胞的时候都能够引起炎症小体的激活,并且当敲除NLRC4（NLR家族的一员）后,激活会大大的减弱,这一类炎症小体被称为NLRC4炎症小体。之前的研究表明,NLRC4炎症小体的激活是由于NLR的一个亚家族,NAIP家族蛋白识别了来自于病原菌的鞭毛蛋白或Ⅲ型分泌系统基座蛋白所致。在常用的小鼠品系中,巨噬细胞表达的NAIP蛋白有四个,NAIP1,NAIP2,NAIP5和NAIP6。其中NAIP5/6识别鞭毛蛋白,NAIP2识别Ⅲ型分泌系统基座蛋白。而NAIP1的功能未知。与小鼠中不同的是,人的基因组中仅有一个NAIP（hNAIP）。因此,人的NLRC4炎症小体是否具有功能,hNAIP在人类的天然免疫系统中是否具有和鼠的NAIP2/5/6类似的作用是一个非常值得研究的课题。本文以一种特殊的具有Ⅲ型分泌系统的革兰氏阴性菌----紫色杆菌----为工具,通过对紫色杆菌的遗传操作,发现Ⅲ型分泌系统的一类结构蛋白----针状蛋白,可以激活人源和鼠源巨噬细胞中的NLRC4炎症小体。对机制的进一步研究表明,人基因组中唯一的NAIP基因hNAIP和其在小鼠中的同源分子分别在人和小鼠的巨噬细胞中负责识别针状蛋白,从而形成NLRC4炎症小体,激活caspase-1。在人源的巨噬细胞中,沙门氏菌和志贺氏痢疾杆菌感染所引起的caspase-1激活都依赖hNAIP对针状蛋白的识别。在小鼠的天然免疫细胞中,病原菌感染激活NLRC4炎症小体的情况比较复杂,由哪一种NLRC4炎症小体起主导作用取决于细胞类型和细菌两个因素。我们的研究发现由志贺氏痢疾杆菌感染NAIP1高表达的小鼠树突状细胞系DC2.4时主要依赖于其针状蛋白通过NAIP1激活NLRC4炎症小体。我们对于针状蛋白-hNAIP/NAIP1-NLRC4通路的揭示对人和老鼠的天然免疫反应都有重要意义。除了NLRC4炎症小体外,现在已知的炎症小体主要包括NLRP3炎症小体,AIM2炎症小体和NLRP1b炎症小体。之前的研究表明,与家族性地中海热相关的一个基因Mefv编码的蛋白Pyrin在过表达时可以引起ASC点状复合物的形成,因此猜测有Pyrin炎症小体的存在,但是其功能一直未被发现。来自于革兰氏阳性菌艰难梭菌的一个毒素—-TcdB——可以激活巨噬细胞中的caspase-1。TcdB是一个糖基转移酶,其进入细胞后可以引起小G蛋白switchI区域的糖基化而处于失活状态。运用细胞生物学和小鼠遗传学的方法,我们发现TcdB引起caspase-1的激活依赖于Mefv基因——Mefv基因编码了Pyrin蛋白。因此,我们首次发现了Pyrin炎症小体的生理功能。进一步的研究表明,一系列可以共价修饰小G蛋白亚家族Rho蛋白swithI区域并使其失活的毒素/细菌效应蛋白都能激活Pyrin炎症小体,这暗示Pyrin炎症小体的激活很可能是通过一种全新的生化机制。不仅如此,免疫系统识别自身分子的非正常修饰在哺乳动物细胞中也是首例。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 引言
• 第一章：研究背景
• 1.1 天然免疫系统
• 1.2 病原菌分泌系统简介
• 1.3 Pyrin和地中海热
• 1.4 梭菌大毒素及修饰小G蛋白的效应蛋白
• 第二章, hNAIP/mNAIP1识别Ⅲ型分泌系统针状蛋白激活NLRC4炎症小体
• 2.1 立题思路
• 2.2 实验结果
• 2.3 分析与讨论
• 第三章：关于梭菌大毒素TcdB激活小鼠巨噬细胞炎症小体的研究
• 3.1 立题思路
• 3.2 实验结果
• 3.3 分析与讨论
• 第四章：材料和方法
• 引用文献
• 致谢