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北京生命科学研究所邵峰实验室在《Nature》发文发现抗细菌天然免疫新的模式识别受体
作者：邵峰 来源自：中国免疫学会 点击数：21425 发布时间：2018-10-15
2018年9月6日，《Nature》杂志发表了北京生命科学研究所邵峰实验室题为“Alpha-kinase 1 is a cytosolic innate immune receptor for bacterial ADP-heptose”的研究论文。该项研究发现宿主细胞质内的一个新的激酶分子ALPK1（alpha-kinase 1）可以直接和特异性识别细菌脂多糖LPS合成的前体糖分子ADP-heptose，进而激活NF-κB通路介导的天然免疫反应。
机体天然免疫的核心是识别病原相关分子模式 (PAMPs)的模式识别受体(PRR)。邵峰实验室近年来一直专注于研究宿主细胞质中感知细菌的分子免疫机制。在过去几年中，他们鉴定出了多个识别细菌的PRR受体蛋白，包括：1）NAIP家族蛋白直接识别细菌鞭毛素蛋白和病原菌三型分泌系统的结构组分蛋白(Zhao et al., Nature 2011)；2）Pyrin蛋白（遗传突变导致家族性地中海热自炎症疾病）间接感知多种病原菌和毒素对宿主Rho家族小G蛋白的修饰和失活（Xu et al., Nature 2014）；3）Caspase-4/5/11作为胞内LPS的受体，识别LPS的Lipid A部分，进而发生寡聚化而激活。这些细菌免疫受体活化后，均通过诱导组装炎症小体复合物进而激活膜打孔蛋白GSDMD，诱发细胞焦亡（Shi et al., Nature, 2015; Ding et al., Nature 2016）。
此前的研究显示，包括耶尔森菌和肠致病性大肠杆菌在内的诸多革兰氏阴性致病菌可借助其三型分泌系统（T3SS）激活宿主NF-κB信号通路，但具体分子机制并不清楚。为此，邵峰实验室的研究人员通过转座子介导的细菌遗传筛选及生物化学分析的方法，发现细菌中的七碳糖代谢中间产物ADP-heptose（二磷酸腺苷庚糖）介导了细菌三型分泌系统依赖的NF-κB通路的激活及炎症细胞因子的产生。ADP-heptose广泛存在于几乎所有的革兰氏阴性细菌及部分革兰氏阳性菌中。在非感染的情况下，将ADP-heptose直接添加至细胞培养基中，即可明显激活宿主细胞内NF-κB通路。
为进一步研究细胞感知ADP-heptose的分子机制，研究人员在人胚肾细胞系中进行了基于流式细胞分选的CRISPR-Cas9全基因组筛选，最终发现了ALPK1-TIFA信号通路对于ADP-heptose激活NF-κB是必需的。ALPK1是细胞质内的一个激酶，包含N-端结构域和C-端激酶结构域，中间由一个长柔性序列相连。经过一系列的生物化学实验分析，研究人员发现ALPK1的N-端和C-端结构域之间具有组成性的相互作用，并且ALPK1的N-端结构域可以直接结合ADP-heptose，通过蛋白构象变化诱导C-端激酶结构域活化，进而磷酸化TIFA。磷酸化后的TIFA发生寡聚，并进一步通过与TRAF6的相互作用激活下游NF-κB通路。研究者还测定了ALPK1 N-端结构域和ADP-heptose的复合物的晶体结构，解析了ALPK1受体识别ADP-heptose的精确机制。
值得一提的是，此前有研究显示，细菌ADP-heptose生物合成通路中的前体分子庚糖-1,7-二磷酸（heptose 1,7-bisphosphate, HBP）在被人为导入细胞后也可在诱导TIFA依赖的NF-κB活化。研究者进一步发现，HBP不具有自主进入宿主细胞的能力，也不能直接激活ALPK1，但可以在细胞内被腺苷酰转移酶NMNAT代谢为二磷酸腺苷庚糖-7-磷酸（ADP-heptose 7-P）；二磷酸腺苷庚糖-7-磷酸能够直接激活ALPK1，但活性远低于ADP-heptose。
邵峰团队进一步研究发现，给小鼠直接注射ADP-heptose可以引起强烈的ALPK1依赖的炎症反应，而注射HBP则与注射生理盐水一样不能引起任何炎症反应。他们进一步在野生型和Alpk1基因敲除的小鼠中进行了洋葱伯克霍尔德菌（Burkholderia cenocepacia）的肺部感染实验，发现Alpk1敲除的小鼠肺部炎症反应程度更轻，同时细菌数量显著高于野生型小鼠。这一结果证实了ADP-heptose-ALPK1天然免疫信号通路在抵御细菌感染过程中发挥重要作用。这项研究揭示，宿主细胞内的全新激酶受体蛋白ALPK1可以识别细菌来源的ADP-heptose，代表了一种全新的、保守存在于脊椎动物中的抗细菌天然免疫模式识别通路，这一发现也丰富和改变了人们对LPS相关分子诱导炎症反应的机制；鉴于ADP-heptose具有自主进入哺乳动物细胞的能力，该研究也为开发新的免疫调节剂和疫苗佐剂提供了新的概念和方法。
邵峰实验室博士后周平和生物物理所联合培养的博士生佘杨是本文的共同第一作者。论文的其他作者还包括中国农业大学动物科学技术学院董娜博士，邵峰实验室李鹏博士、何华斌、许悦、高文青博士、丁璟珒博士，化学中心吴青翠，董梦秋实验室卢珊博士、曹勇和董梦秋博士，中科院生物物理所王大成教授，奥地利自然资源和生命科学大学的Alessio Borio和Alla Zamyatina博士，以及北京明德正康科技有限公司的丁小军。邵峰博士为本文通讯作者。该研究由基金委基础科学中心项目，科技部国家重点研发计划，中科院先导计划和奥地利科学基金资助，在北京生命科学研究所完成。
机体天然免疫的核心是识别病原相关分子模式 (PAMPs)的模式识别受体(PRR)。邵峰实验室近年来一直专注于研究宿主细胞质中感知细菌的分子免疫机制。在过去几年中，他们鉴定出了多个识别细菌的PRR受体蛋白，包括：1）NAIP家族蛋白直接识别细菌鞭毛素蛋白和病原菌三型分泌系统的结构组分蛋白(Zhao et al., Nature 2011)；2）Pyrin蛋白（遗传突变导致家族性地中海热自炎症疾病）间接感知多种病原菌和毒素对宿主Rho家族小G蛋白的修饰和失活（Xu et al., Nature 2014）；3）Caspase-4/5/11作为胞内LPS的受体，识别LPS的Lipid A部分，进而发生寡聚化而激活。这些细菌免疫受体活化后，均通过诱导组装炎症小体复合物进而激活膜打孔蛋白GSDMD，诱发细胞焦亡（Shi et al., Nature, 2015; Ding et al., Nature 2016）。
此前的研究显示，包括耶尔森菌和肠致病性大肠杆菌在内的诸多革兰氏阴性致病菌可借助其三型分泌系统（T3SS）激活宿主NF-κB信号通路，但具体分子机制并不清楚。为此，邵峰实验室的研究人员通过转座子介导的细菌遗传筛选及生物化学分析的方法，发现细菌中的七碳糖代谢中间产物ADP-heptose（二磷酸腺苷庚糖）介导了细菌三型分泌系统依赖的NF-κB通路的激活及炎症细胞因子的产生。ADP-heptose广泛存在于几乎所有的革兰氏阴性细菌及部分革兰氏阳性菌中。在非感染的情况下，将ADP-heptose直接添加至细胞培养基中，即可明显激活宿主细胞内NF-κB通路。
为进一步研究细胞感知ADP-heptose的分子机制，研究人员在人胚肾细胞系中进行了基于流式细胞分选的CRISPR-Cas9全基因组筛选，最终发现了ALPK1-TIFA信号通路对于ADP-heptose激活NF-κB是必需的。ALPK1是细胞质内的一个激酶，包含N-端结构域和C-端激酶结构域，中间由一个长柔性序列相连。经过一系列的生物化学实验分析，研究人员发现ALPK1的N-端和C-端结构域之间具有组成性的相互作用，并且ALPK1的N-端结构域可以直接结合ADP-heptose，通过蛋白构象变化诱导C-端激酶结构域活化，进而磷酸化TIFA。磷酸化后的TIFA发生寡聚，并进一步通过与TRAF6的相互作用激活下游NF-κB通路。研究者还测定了ALPK1 N-端结构域和ADP-heptose的复合物的晶体结构，解析了ALPK1受体识别ADP-heptose的精确机制。
值得一提的是，此前有研究显示，细菌ADP-heptose生物合成通路中的前体分子庚糖-1,7-二磷酸（heptose 1,7-bisphosphate, HBP）在被人为导入细胞后也可在诱导TIFA依赖的NF-κB活化。研究者进一步发现，HBP不具有自主进入宿主细胞的能力，也不能直接激活ALPK1，但可以在细胞内被腺苷酰转移酶NMNAT代谢为二磷酸腺苷庚糖-7-磷酸（ADP-heptose 7-P）；二磷酸腺苷庚糖-7-磷酸能够直接激活ALPK1，但活性远低于ADP-heptose。
邵峰团队进一步研究发现，给小鼠直接注射ADP-heptose可以引起强烈的ALPK1依赖的炎症反应，而注射HBP则与注射生理盐水一样不能引起任何炎症反应。他们进一步在野生型和Alpk1基因敲除的小鼠中进行了洋葱伯克霍尔德菌（Burkholderia cenocepacia）的肺部感染实验，发现Alpk1敲除的小鼠肺部炎症反应程度更轻，同时细菌数量显著高于野生型小鼠。这一结果证实了ADP-heptose-ALPK1天然免疫信号通路在抵御细菌感染过程中发挥重要作用。这项研究揭示，宿主细胞内的全新激酶受体蛋白ALPK1可以识别细菌来源的ADP-heptose，代表了一种全新的、保守存在于脊椎动物中的抗细菌天然免疫模式识别通路，这一发现也丰富和改变了人们对LPS相关分子诱导炎症反应的机制；鉴于ADP-heptose具有自主进入哺乳动物细胞的能力，该研究也为开发新的免疫调节剂和疫苗佐剂提供了新的概念和方法。
邵峰实验室博士后周平和生物物理所联合培养的博士生佘杨是本文的共同第一作者。论文的其他作者还包括中国农业大学动物科学技术学院董娜博士，邵峰实验室李鹏博士、何华斌、许悦、高文青博士、丁璟珒博士，化学中心吴青翠，董梦秋实验室卢珊博士、曹勇和董梦秋博士，中科院生物物理所王大成教授，奥地利自然资源和生命科学大学的Alessio Borio和Alla Zamyatina博士，以及北京明德正康科技有限公司的丁小军。邵峰博士为本文通讯作者。该研究由基金委基础科学中心项目，科技部国家重点研发计划，中科院先导计划和奥地利科学基金资助，在北京生命科学研究所完成。