NIBS最新《PNAS》解析人基因组中唯一的NAIP基因

北京生命科学研究所邵峰博士实验室报道了人基因组中唯一的NAIP基因，以及其在小鼠中的同源基因NAIP1可以识别革兰氏阴性致病菌三型分泌系统的针状蛋白进而激活炎症小体介导的天然免疫反应。

　　 2013年8月12日，北京生命科学研究所邵峰博士实验室在Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)杂志发表题为“Human NAIP and mouse NAIP1 recognize bacterial type III secretion needle protein for inflammasome activation”的文章。该文章报道了人基因组中唯一的NAIP基因，以及其在小鼠中的同源基因NAIP1可以识别革兰氏阴性致病菌三型分泌系统的针状蛋白进而激活炎症小体介导的天然免疫反应。

炎症小体（inflammasome）是继Toll样受体后，最近几年刚刚发现的一个主要存在于巨噬细胞中的，用于感受进入细胞质的外源分子的天然免疫信号通路。炎症小体在感受到来自病原菌的模式信号分子（PAMP）后，通过激活炎症性caspase-1，进而导致白介素（IL-1b和IL-18）等炎症因子的成熟和分泌以及一种称为“pyrotosis”的巨噬细胞炎性坏死的发生，炎症小体在机体拮抗病原菌感染起着重要作用。炎症小体由存在于细胞质内的NOD样受体分子（NLR）所介导组装。人的基因组编码23个NLR，小鼠的基因组编码34个NLR，但绝大多数NLR的功能仍然未知。

邵峰博士实验室于2011年发表在Nature杂志上的文章首次报道了NLR蛋白的一个亚家族——NAIP家族具有炎症小体受体的功能，直接识别来自病原菌的不同配体分子。小鼠编码7个NAIP家族的分子，其中4个（NAIP1，NAIP2，NAIP5和NAIP6）在通常使用的实验小鼠品系中有表达。该文章证实，NAIP5/6识别细菌的鞭毛素蛋白(flagellin)，NAIP2识别来自病原菌的三型分泌系统基座蛋白。但NAIP1的功能一直未知。

他们此次发表在PNAS上的工作发现，形成三型分泌系统通道的针状蛋白在人和鼠的巨噬细胞中都可以很强地激活炎症小体。通过大量的遗传和生化实验，他们进一步发现人类基因组中唯一的NAIP和小鼠中的NAIP1负责识别进入宿主细胞的针状蛋白，从而介导炎症小体的组装、caspase-1的激活和白介素的分泌。常见革兰氏阴性致病菌（如志贺氏痢疾杆菌和沙门氏菌）感染的实验结果表明，通过NAIP家族的NLR分子特异性识别进入胞质内的细菌三型分泌系统针状蛋白是一个在人源和鼠源巨噬细胞中普遍存在的天然免疫抵御机制。

另一方面，他们还发现，小鼠中不同的NAIP在不同类型的细胞中表达的量有所差别。例如，NAIP1在树突状细胞中的表达量远高于巨噬细胞，而NAIP5则相反。与此一致的是，针状蛋白在树突状细胞中引起更强的炎症小体的激活，而鞭毛素蛋白在巨噬细胞中的反应则更强。他们也发现，来自于不同病原菌的同一类分子的活性有较大差异。例如，痢疾杆菌的针状蛋白相对于其它病原菌的针状蛋白激活炎症小体的活性最强，感染的实验也证实NAIP1 和人的NAIP分子在痢疾杆菌激活炎症小体中起着最为关键的作用。这些发现进一步提示，不同类型小鼠细胞识别病原菌信号分子的偏好性不同，而不同病原菌被主要识别的分子也有所差异，为理解病原菌感染诱导炎症反应的分子机制提供了新的思路。

这项研究首次揭示了人基因组中唯一的NAIP和小鼠的NAIP1的生物学功能，进一步证实了NAIP家族作为NLR样受体识别病原菌相应分子的普遍性。本项也研究表明，病原菌三型分泌针状蛋白是一类在人和鼠中保守的、能激活炎症反应的病原菌模式分子（PAMP），对于病原菌疫苗和新型疫苗佐剂的研发有重要启示作用。

杨杰凌（协和医学院博士研究生）和赵越（博士后）是本文的共同第一作者。研究生石建金对本项研究也有重要贡献。邵峰博士是本文的通讯作者。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。

原文摘要：

Human NAIP and mouse NAIP1 recognize bacterial type III secretion needle protein for inflammasome activation

Inflammasome mediated by central nucleotide-binding and oligomerization domain (NOD)-like receptor (NLR) protein is critical for defense against bacterial infection. Here we show that type III secretion system (T3SS) needle proteins from several bacterial pathogens, including Salmonella typhimurium, enterohemorrhagic Escherichia coli, Shigella flexneri, and Burkholderia spp., can induce robust inflammasome activation in both human monocyte-derived and mouse bone marrow macrophages. Needle protein activation of human NRL family CARD domain containing 4 (NLRC4) inflammasome requires the sole human neuronal apoptosis inhibitory protein (hNAIP). Among the seven mouse NAIPs, NAIP1 functions as the mouse counterpart of hNAIP. We found that NAIP1 recognition of T3SS needle proteins was more robust in mouse dendritic cells than in bone marrow macrophages. Needle proteins, as well as flagellin and rod proteins from five different bacteria, exhibited differential and cell type-dependent inflammasome-stimulating activity. Comprehensive profiling of the three types of NAIP ligands revealed that NAIP1 sensing of the needle protein dominated S. flexneri-induced inflammasome activation, particularly in dendritic cells. hNAIP/NAIP1 and NAIP2/5 formed a large oligomeric complex with NLRC4 in the presence of corresponding bacterial ligands, and could support reconstitution of the NLRC4 inflammasome in a ligand-specific manner.