NIBS邵峰连发Nature，PNAS文章解析致病机理

来自北京生命科学研究所的邵峰研究员主要研究方向是病原细菌感染宿主和宿主先天性免疫防御的分子机制，曾发表多篇Nature，Science，Cell杂志文章，荣获HHMI首届国际青年科学家奖。近期其研究组接连发表Nature，PNAS文章，分别报道了一种全新的病原菌毒力作用机制，以及人基因组中NAIP和小鼠的NAIP1的生物学功能。

　　

生物通报道：来自北京生命科学研究所的邵峰研究员（专访邵峰：着眼于感兴趣，但机理完全不清楚的研究），主要研究方向是病原细菌感染宿主和宿主先天性免疫防御的分子机制，曾发表多篇Nature，Science，Cell杂志文章，荣获HHMI首届国际青年科学家奖。近期其研究组接连发表Nature，PNAS文章，分别报道了一种全新的病原菌毒力作用机制，以及人基因组中NAIP和小鼠的NAIP1的生物学功能。

在第一篇文章中，邵峰研究组成员与王晓东实验室，北京大学合作，报道了肠道致病菌毒力效应蛋白NleB家族通过N-乙酰葡萄糖胺单糖基化修饰宿主死亡结构域中一个保守的精氨酸抑制死亡受体介导的炎症和死亡信号通路，促进病原菌在宿主体内的生存和繁殖。

研究人员通过三型分泌系统将毒力效应蛋白“注射”到真核细胞内，从而阻断或调节宿主的各种信号通路，是常见革兰氏阴性致病菌感染和致病的重要机制。邵峰实验室的一个研究方向是以痢疾杆菌和肠致病大肠杆菌（EPEC）等肠道菌为模型研究三型分泌系统在病菌逃逸和抑制天然免疫中的功能和分子机制。此前有关肠致病大肠杆菌的研究已报道了多个具有抑制宿主NF-κB炎症反应活性的三型分泌系统效应蛋白（包括NleE和NleB等），但这些效应蛋白的生化作用机制以及他们在细菌感染动物中到底起什么样的作用是该领域的一个重要问题。

邵峰实验室在此前的研究中揭示了NleE效应蛋白抑制NF-κB通路的机制是通过甲基化修饰该通路中的TAB2/3分子C端锌指结构域中的一个半胱氨酸，从而阻断TAB2/3介导的泛素链信号识别和传递（Zhang et al., Nature 2012）。在这项关于NleB作用机制的研究中，他们首先发现NleB能有效抑制肿瘤坏死因子（TNFα）激活NF-κB炎症反应，而对IL-1β激活NF-κB没有影响。随后他们综合酵母双杂交和免疫共沉淀等生化手段，鉴定出TNF受体（TNFR1）下游的接头分子TRADD为NleB的宿主靶蛋白，并发现NleB作用于TRADD C端死亡结构域（death domain）并抑制其寡聚化。与生化结果一致的是，他们发现NleB不仅能抑制TNFα激活NF-κB炎症反应，而且也能有效阻断TNFα诱导细胞凋亡和坏死。通过一系列的质谱分析和体内外的生化实验，他们进一步揭示NleB是一种全新的糖基转移酶，对TRADD死亡结构域中235位的精氨酸进行N-乙酰葡萄糖胺化修饰，导致该结构域丧失寡聚化的活性。

人基因组编码34个死亡结构域蛋白，其中三分之一都含有这个保守精氨酸，它们多在TNFR1、FAS和TRAIL等死亡受体通路中起重要功能。通过大量细菌感染和体外生化实验，邵峰及其同事进一步发现，NleB可以高效修饰多个在死亡受体通路中起关键作用的接头蛋白（TRADD，FADD和RIPK1），部分修饰TNFR1和FAS等死亡受体本身，但不能修饰不含有保守精氨酸的死亡结构域蛋白Myd88和IRAK1。其中对FAS的修饰位点正是在自身免疫性淋巴细胞增生综合征(ALPS)中有高频率突变的位点。他们的工作表明NleB最主要的功能实际上是通过阻断死亡结构域介导的DISC（death inducing signaling complex）复合体的形成，从而抑制TNFα，FAS ligand和TRAIL等死亡受体配体诱导宿主细胞凋亡和坏死。在小鼠感染的实验中，他们还发现NleB糖基转移酶活性的缺失导致细菌不能在肠道中有效定殖。结合此前的工作，这项研究表明对肠致病大肠杆菌来说仅仅抑制NF-κB炎症通路不足以帮助病菌实现宿主体内定殖，还需要抑制死亡受体介导的免疫防御通路。

该项研究首次报道病原菌可以直接作用于死亡受体复合物，展示了一种全新的病原菌毒力作用机制，揭示了肠致病大肠杆菌如何通过抑制天然免疫实现在宿主体内有效定殖的分子机制。更为重要的是，N-乙酰葡萄糖胺这种翻译后修饰以前一直被认为只发生在丝氨酸/苏氨酸上，这种O-连接的N-乙酰葡萄糖胺修饰在细菌到人中都保守，已有超过1,000 种蛋白被发现存在这种修饰，该修饰被认为和蛋白质磷酸化类似，在细胞信号转导中起重要作用。邵峰实验室的工作首次报道了在精氨酸上也可以发生N-乙酰葡萄糖胺修饰，由于以前对这种修饰的鉴定都是基于O-连接的假设，这项研究也暗示精氨酸N-乙酰葡萄糖胺化这种新型蛋白翻译后修饰可能广泛存在，在调节信号转导中发挥重要作用。

此外，另外一篇文章则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。

研究人员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。

原文摘要：

Pathogen blocks host death receptor signalling by arginine GlcNAcylation of death domains

The tumour necrosis factor (TNF) family is crucial for immune homeostasis, cell death and inflammation. These cytokines are recognized by members of the TNF receptor (TNFR) family of death receptors, including TNFR1 and TNFR2, and FAS and TNF-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) receptors1. Death receptor signalling requires death-domain-mediated homotypic/heterotypic interactions between the receptor and its downstream adaptors, including TNFR1-associated death domain protein (TRADD) and FAS-associated death domain protein (FADD)2. Here we discover that death domains in several proteins, including TRADD, FADD, RIPK1 and TNFR1, were directly inactivated by NleB, an enteropathogenic Escherichia coli (EPEC) type III secretion system effector known to inhibit host nuclear factor-κB (NF-κB) signalling3, 4. NleB contained an unprecedented N-acetylglucosamine (GlcNAc) transferase activity that specifically modified a conserved arginine in these death domains (Arg 235 in the TRADD death domain). NleB GlcNAcylation (the addition of GlcNAc onto a protein side chain) of death domains blocked homotypic/heterotypic death domain interactions and assembly of the oligomeric TNFR1 complex, thereby disrupting TNF signalling in EPEC-infected cells, including NF-κB signalling, apoptosis and necroptosis. Type-III-delivered NleB also blocked FAS ligand and TRAIL-induced cell death by preventing formation of a FADD-mediated death-inducing signalling complex (DISC). The arginine GlcNAc transferase activity of NleB was required for bacterial colonization in the mouse model of EPEC infection. The mechanism of action of NleB represents a new model by which bacteria counteract host defences, and also a previously unappreciated post-translational modification.

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.