天然免疫细胞信号转导

中国细胞生物学学报ChineseJournalofCellBiology2013,35(5):563–573国家自然科学基金(批准号:31230023、31025010)资助的课题*通讯作者。Tel:[phone],E-mail:[e-mail]theNationalNaturalScienceFoundationofChina(GrantNo.31230023,31025010)*Correspondingauthor.Tel:[phone],E-mail:[e-mail]网络出版时间:2013-04-2410:56URL:±s天然免疫是机体抵抗微生物入侵的第一道防线,最终诱导并调节获得性免疫的有效应答。本实验室围绕细胞受到病原微生物感染后天然免疫激活,并最终产生、分泌细胞因子这一重要生理过程,通过新基因、新通路的发现与机制研究,探讨天然免疫反应活化的分子机制,揭示天然免疫应答失控导致各种与感染免疫相关的疾病,包括过敏性反应、自身免疫病、慢性炎症(及导致的肿瘤)发生的可能原因。=102&action=showmember&uid=56特约综述病毒感染引发天然免疫细胞信号转导研究进展孙文香蒋争凡*(北京大学生命科学学院,蛋白质与植物基因研究国家重点实验室,北京100871)摘要病毒入侵机体后,会被天然免疫系统所识别,进而引发天然免疫信号通路的活化产生一型干扰素(IFNα/β)和一些炎性细胞因子如IL-1β。目前研究发现,病毒入侵信号主要由一类模式识别受体识别,包括Toll样受体(Tolllikereceptors,TLRs)、RIG-I样受体(RIG-Ilikereceptors,RLRs)、Nod样受体(Nodlikereceptors,NLRs)、Hin-200家族蛋白及一些DNA受体,这些受体介导一型干扰素及炎性细胞因子的产生,并受到多种严格的调控机制调控。该文将对模式识别受体介导的抗病毒天然免疫信号转导通路及相关调控分子机制做一综述。关键词天然免疫;抗病毒;细胞信号转导;一型干扰素InnateImmuneDetectionandActivationtoViralInfectionSunWenxiang,JiangZhengfan*(StateKeyLaboratoryofProteinandPlantGeneResearch,CollegeofLifeSciences,PekingUniversity,Beijing100871,China)AbstractViralinfectionsaredetectedbytheinnateimmunesystem,whichsequentiallyactivatesdownstreamsignalingpathways,resultingtotheproductionoftype-Iinterferons(e.gIFNα/β)andmanyotherinflammatorycytokines(e.gTNFα,IL-1andIL-18).Viraldetectingismediatedbyasetofreceptorscalledgermline-encodedpattern-recognitionreceptors(PRRs),includingToll-likereceptors,RIG-Ilikereceptors,Nod-likereceptors,Hin-200familyproteinsandsomecytoplasmicDNAreceptors.ActivationofthesePRRswillleadtotheactivationofdifferentsignalingpathways,whichareallstrictlyregulatedthroughvariousproteinmodifications.Inthisreview,wefocusonthecurrentunderstandingoftheantiviralinnateimmuneactivationandtherelatedregulatingmechanism.Keywordsinnateimmunity;viralinfection;cellsignaling;type-Iinterferons564·特约综述·1989年,CharlesJaneway提出天然免疫模式识别理论:高等生物通过一类模式识别受体(pattern-recognitionreceptors,PRRs)特异识别病原微生物在进化上高度保守的分子模式,称为病原相关分子模式(pathogen-associatedmolecularpattern,PAMP),包括后来我们所知道的核酸、脂蛋白、鞭毛蛋白、脂多糖、肽多糖等[1]。病毒从基因组的组成可以分成DNA病毒和RNA病毒,越来越多的研究发现,这两类不同的病毒侵入机体诱导天然免疫反应分别依赖不同的模式识别受体。病毒跨越宿主体表物理屏障进入细胞后,在酸性内涵体上,释放核酸物质被TLRs识别,并激发一型干扰素及炎性因子产生。病毒的蛋白成分也可以在细胞表面被TLRs识别。侵染在细胞质中的病毒核酸则被细胞内多种模式识别受体识别。RLRs(RIG-Ilikereceptors)是一类识别病毒基因组RNA或RNA中间物质,并强烈诱导一型干扰素产生的受体。NLRs(Nodlikereceptors)也是在细胞质中,参与DNA或RNA病毒识别的模式识别受体。尤其是NLRP3诱导活化蛋白酶caspase-1,形成炎症小体,最终活化IL-1和IL-18的成熟剪切,并诱导一种叫做“pyroptosis”的细胞程序性死亡,抑制病毒复制[2]。Hin-200家族成员Aim2和IFI-16和一些DNA受体也是最近报道在抗病毒信号通路中的核酸受体[3-4]。本文主要介绍天然免疫信号通路在抗病毒过程中的分子机制。1TLRs介导的抗病毒天然免疫信号转导自1996年Hoffmann小组第一次报道Toll分子在果蝇免疫系统中扮演重要角色,两年后Beutler小组报道小鼠中Toll分子同源蛋白TLR4是革兰氏阴性菌LPS的受体以来,人们已经在哺乳动物细胞中,发现了12种有功能的TLRs(Tolllikereceptors),越来越多的证据表明,TLRs在抵抗微生物(细菌、真菌、病毒等)入侵过程中发挥至关重要的作用[5]。Hoffmann和Beutler也因为他们在TLRs参与天然免疫系统方面的开创性工作,与另一发现树突细胞在获得性免疫过程中发挥重要作用的科学家Steinman分享2011年诺贝尔医学奖。Toll样受体在抗病毒过程中扮演重要角色是本文关注的一个重点。1.1识别病毒核酸成分的TLRs及其转运机制病毒核酸成分作为一类PAMP能够被多种TLR所识别,包括TLR3、TLR7/TLR8和TLR9。此类TLRs都定位于细胞内膜结构上,包括内质网(Endoplasticreticulum,ER)、内涵体(Endosome)、溶酶体(Lysosome)、内溶酶体(Endolysosome)[6]。侵入细胞的病毒在内涵体酸性环境中释放核酸物质,从而被TLR3、TLR7/TLR8和TLR9所识别。TLRs的细胞内定位避免了对胞外自身核酸物质做出免疫反应,也很可能是机体区分自我与非我免受自身性免疫伤害的一种有利机制。TLR3最早发现能够识别人工合成的双链RNA类似物(polyinosinic-polycytidylicacid,poly(I:C)),也能识别双链RNA病毒的基因组RNA或者单链RNA和一些DNA病毒的双链RNA中间产物。有研究发现,来自于EB病毒(EBV)感染产生的RNAs(EBERs)通过TLR3依赖的信号转导诱导产生IFNγ和TNF[7]。EBERs属于非编码RNAs通过分子内部配对形成茎环结构,增加了形成双链RNA的可能性。对于TLR7和TLR8,一种与核糖核酸有着相似结构的咪喹莫特(imidazoquinolines)是它们最早鉴定出来的配体。TLR7和TLR8也是单链RNA的受体,但是对于识别的特定结构还没有研究清楚,尽管有研究报道富含G-U甚至是polyURNA能够激活TLR7[8-9]。单链RNA非常不稳定,宿主本身产生的单链RNA还没来得及被TLR识别就已经被RNA酶降解掉,只有病毒单链RNA在衣壳蛋白的保护下,进入内涵体中被裂解释放进而被TLR7/8识别。细菌核酸非甲基化的CpG则是最早被鉴定通过TLR9受体识别的配体,随后发现很多DNA病毒可以激活这一TLR。尽管体外实验中证明了TLR9识别多种DNA病毒,但是TLR9缺陷小鼠并没有表现出MyD88缺陷那么严重的表型,说明存在其他TLR受体冗余的情况,如TLR2可以识别病毒包被蛋白,TLR3和TLR7识别病毒复制过程中产生的RNA产物。亚细胞定位对TLR3、TLR7/TLR8和TLR9活化十分重要,只有内部呈酸性环境的内涵体上面的TLRs可以被病毒核酸物质刺激活化[1,10]。显然,TLRs从ER上被合成后转运到内涵体上。通过对TLR9糖基化修饰分析,内涵体上的TLR9在ER合成后穿越了高尔基体,表明细胞内的TLRs当受到病毒等免疫刺激时是通过经典分泌系统转运到内涵体或内溶酶体的,TLR3和TLR7也有相似的定位及转运途径[10-11]。TLRs的高效转运有赖于几种伴侣分子的协助,Gp96是热休克蛋白家族成员,缺失gp96的巨噬细胞在TLR7及TLR9配体的刺激下无反应[12]。孙文香等:病毒感染引发天然免疫细胞信号转导研究进展565PRAT4A能够帮助TLR7和TLR9从内质网上转运至内涵体,但对于TLR3的转运是非必需的[6]。2006年Tabeta等[14]利用正向遗传筛选方法,筛选到一个3d突变,丧失由TLR3、TLR7和TLR9核酸配体刺激引起的免疫信号通路的活化,后来鉴定这一表型是由于Unc93b1基因突变引起。此基因表达12次跨膜内质网蛋白UNC93B1,通过跨膜区与TLR3、TLR7和TLR9相互作用,帮助TLRs离开内质网。过量表达UNC93B1增强了TLR7和TLR9内质网到内涵体的转运[13-14]。之后有研究表明,TLR7和TLR9竞争性与UNC93B1结合,在自然条件下,UNC93B1与TLR9结合相对于TLR7更紧密,导致TLR9比TLR7信号通路活化强很多。过量表达TLR9的确抑制了TLR7信号通路。这种结合偏好性是由UNC93B1的N末端所介导,Unc93b1的N末端缺失突变与TLR7结合更紧密。而对于TLR3来说,UNC93B1的野生型和缺失掉N末端截短体都表现出相似的转运效率。所以,当TLRs受到相应刺激物刺激时,UNC93B1参与TLRs从内质网到内涵体的转运并且在一定程度上影响转运效率[6]。TLR7和TLR9被运到内涵体后,处于内涵体内部的肽段被多种蛋白酶剪切。TLR9发生剪切后才能招募MyD88,起始免疫信号转导[15]。另外,在浆细胞样树突细胞中,接头蛋白-3(AP-3)将这些TLRs转运到溶酶体相关膜泡上,致使TLRs招募干扰素调节因子IFR7并介导一型干扰素的产生[16]。然而人们却没有检测到TLR3被蛋白酶剪切修饰。推断剪切后的TLR7和TLR9和全长的TLR3结构相似。1.2识别病毒非核酸成分的TLRs定位在细胞膜上的TLR2和TLR4能够识别一些病毒的包被蛋白。TLR4识别呼吸道合胞病毒(RSV)的病毒组分融合蛋白,经RSV感染的Tlr4-/-小鼠中,单核细胞侵润现象减弱,炎性因子IL-12产生量也减少从而导致对病毒