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姜鄂
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1 生物技术通报 BIOTECHNOLOGY 综述与专论 BULLETIN 2013年第7期核苷酸结合寡聚化结构域 NOD 样受体 NLRs 研究进展李奕平王潇内蒙古大学生命科学学院呼和浩特摘要先天免疫系统是防御微生物的第一道防线最近几年人们发现一种新的蛋白家族核苷酸结合寡聚化结构域 NOD 样受体 (NLRs) 可以识别抵御微生物病原体在动物和植物体内的先天免疫中起重要作用 NLR 蛋白激活后导致 NF-κB MAPK 或半胱氨酸天冬氨酸酶的激活从而介导炎症反应对 NLR 家族及与之相关的炎症性疾病进行论述并对 NLR 家族在炎症性疾病治疗的应用前景作展望关键词先天免疫 NLRs NOD1 NOD2 炎症疾病 Advance in the Nucleotide Binding and Oligomerization Domain NOD -like Receptors NLRs Li Yiping Wang Xiao College of Life Sciences of Inner Mongolia University Hohhot Abstract: The innate immune system is the first line of defense against microorganisms, recent studies identified a new kind of protein, the nucleotide binding and oligomerization domain (NOD)-like receptors (NLRs) which can recognize and respond against pathogens, play an important role in the innate immune of the plant and animal. Activation of NLR proteins results in inflammatory responses mediated either by NF-κB, MAPK or Caspase-1 activation. The paper summarized the NLR family and the inflammatory diseases associated with it. The NLR family in the treatment of inflammatory diseases were also prospected. Key words: Innate immune NLRs NOD1 NOD2 Inflammatory diseases 免疫应答主要分为先天性免疫和获得性免疫 NOD-like receptors NLRs 和 RIG-1 样受体 RIG-1 与获得性免疫系统相比先天免疫不需要基因重组 like receptors RLRs TLRs 在细胞表面和核内体识它的多样性依赖于若干先天免疫基因它们的接合别细菌而 NLRs 和 RLRs 在细胞溶质中检测细菌成 1 变异型编码在宿主基因组中先天免疫可以对病原体作出快速应答并起防御第一道防线的作用分哺乳动物 TLRs 可以感受细胞表面及核体中由细菌引起和自身配体引起的大量炎症近期的研究先天免疫系统通过模式识别受体 Patten recagnition 发现核苷酸结合寡聚化结构域 NLRs 可以在细胞内 receptors PRRs 识别病原体模式识别受体可以识别 PAMPs 这一细胞溶质 PRRs 的发现说明一些检测到保守的微生物成分病原体相关分子模回避胞外检测的细菌在宿主细胞溶质中可被另一条式 Pathogen associated moleculal patterns PAMPs 先天免疫系统由几种模式识别受体组成包括 Toll 样受体 Toll-like receptors TLRs NOD 样受体识别路线所识别 NLR 家族 NLR 蛋白家族是细胞内 PRRs 中的一个大家族收稿日期基金项目内蒙古自然科学基金项目 2010MS0514 内蒙古大学校级创新训练计划项目作者简介李奕平女研究方向分子免疫学 yipingli1991@sina.com 通讯作者王潇男副教授研究方向分子免疫学 wxiao1978@yahoo.com.cn

2 2013 年第 7 期李奕平等 : 核苷酸结合寡聚化结构域 NOD 样受体 (NLRs) 研究进展 37 这类蛋白质的特征是带有一个被称作 NACHT( 或 NBD/NOD) 的中央寡聚化结构域 [5] NLRs 是哺乳动物先天免疫系统的重要组成部分, 充当细胞内受体, 检测病原体和组织损伤引起的内因性分子加工这个家族也被称为 CATERPILLER,NOD,NACHT- LRR 或 NOD 样受体 [6] NLRs 蛋白家族中, 蛋白质的一般结构域包括一个 N 末端效应器结合区域, 这一区域由蛋白质 - 蛋白质相互作用结构域组成, 如半胱天冬酶补充结构域 (CARD), 热蛋白结构域 (PYD) 和杆状病毒抑制重复序列结构域此外, 还有一个中央 NOD 结构域和大量 C 末端富含亮氨酸重复序列, 中央 NOD 结构域对核酸结合和自我寡聚化非常重要, 而 C 末端富含亮氨酸重复序列用来检测保守的微生物模式和调节 NLR 活性 [7-9] NLR 蛋白是一个多样的蛋白质家族, 以 N 末端结构域为基础,NLRs 可以分成 3 个亚家族, 也被称 CARD-containing NODs PYD-containing NALPs 和 BIR-containing NAIPs [2] NLRs 涉及多种信号通路的激活, 对各种各样的微生物群体具有特异性, 从而控制宿主病原体的交流 NLRs 与其同源激动剂的结合可以启动一个信号级联反应, 最终导致核转录因子 κb(nf-κb) 的上流调节和促炎性细胞因子的产生不同于大多数 PRMs,NLRs 是细胞内微生物传感器, 在宿主细胞质隔间中识别确定的微生物产物 NLR 蛋白的激活导致由 NF-κB MAPK 或半胱氨酸天冬氨酸酶激活介导的炎症反应 [10], 连同其家族分泌物也与炎症疾病有关, 说明这些分子在维持宿主 - 病原体相互作用和炎症反应中有重要作用因此, 理解 NLR 的信号对各种各样传染性和炎症性疾病的治疗性干预很重要迄今为止, 已经知道可识别细菌的细胞壁成分,IPAF 和 NAIP 识别细菌的鞭毛蛋白,NALP1 显示可检测炭疽致死毒素 [7] 这里, 我们主要讨论 NOD1 和 NOD2 的识别途径以及与炎性疾病的关系 2 NOD1 与 NOD2 NOD1 和 NOD2 蛋白是哺乳动物 NLR 家族中最先发现的细胞内微生物传感器, 它们都是 NLRs 家族 CARD 亚家族中的成员,NOD1 包含一个单一 CARD 结构域,NOD2 在 N 末端包含两个 CARD 结构域 [8] 细菌通过它们细胞壁的结构和肽聚糖 (PG) 层的厚度被分为革兰色阳性和革兰氏阴性菌, 革兰色阳性菌肽聚糖层厚, 革兰色阴性菌肽聚糖层薄 NO- D1 和 NOD2 蛋白可识别细菌细胞壁的肽聚糖 (PG) 成分, 但是其识别的基序是不一样的 NOD1 识别 N- 乙酰葡糖胺胞壁酸二糖, 其识别的最小的成分是 g-d-glutamyl-meso-dap, 与一个末端氨基酸是中央二氨基庚二酸 (mdap) 的三肽结合,mDAP 是多数革兰氏阴性菌细胞壁的成分 (11) 人类 NOD1 对肽聚糖三肽结构的识别是高度特异的, 连接在 mdap 上的一个附加氨基酸就可以使 NOD1 对这种细菌产物的检测失效此外, 肽聚糖基序的识别具有寄主专一性, 如人的 NOD1 识别 L-alanine-g-D-glutamatemeso-DAP, 而鼠科的 NOD1 特异性识别四肽结构 L-alanine-Dglutamate-meso-DAP-D-alanine 基序 [11,12] NOD2 可识别胞壁酰二肽 (MDP), 胞壁酰二肽的组成元素为 NAM-L-Ala-D-Glu, 是一种革兰氏阴性菌阳性菌细菌肽聚糖共有的成分, 这说明 NOD2 可抵御多种细菌 NOD2 可以从大量革兰氏阳性和革兰氏阴性热杀细菌和细菌提取物中感受肽聚糖细菌 MDP 可以释放, 且在细胞壁通过细菌水解酶作用生物合成时, 或通过宿主溶解酶素降解摄取的细菌后, 易于靠近 NOD2 [11,13] NOD2 对某些机体有特异性, 并不是所有含有大量肽聚糖成分的细菌种类都有强烈的 NOD2 刺激活动 NOD2 配体识别具有立体专一性, 如被 NOD2 识别的是 MDP-LD, 而不是 MDP-LL 或 MDP-DD 形式 3 NOD1 和 NOD2 与炎性疾病在 NOD 蛋白应答细菌和细菌产物作用的研究中发现,NF-κB 激活是这些蛋白产生促炎功能的重要途径 NF-κB 一旦被激活,NOD1 和 NOD2 通过 CARD-CARD 相互作用补充 Rip2 [14],Rip2 是一个丝氨酸苏氨酸激酶有试验证明依赖 NOD1 和 NOD2 的 NF-κB 激活在缺乏 Rip2 的小鼠胚胎成纤维细胞中被消除, 但在添加 Rip2 之后会恢复, 证明了 NOD1 和 NOD2 信号通路下游中 Rip2 的作用 Rip2 的齐聚反应导致 κb 激酶复合体的激活, 随后释放,

3 38 生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013 年第 7 期同时激活 NF-κB 的核转位 NOD2 的激活同样诱导 NEMO 的泛素化, 这个过程与推动特殊 NF-κB 应答有关除了 NF-κB 途径,NOD1 和 NOD2 还可以激活其他先天免疫反应例如,NOD2 的 NACHT 和 LRR 在与线粒体外膜蛋白 MAVS 的联系中是非常重要的 [15],MAVS 是一个与先天免疫应答 RNA 病毒有关的衔接蛋白,MAVS 复合体刺激 IRF 的激活, 诱导类型 1 IFN 应答 [16] NOD2 与 MAVS 的相互作用诱导 IRF3 的激活和 IFNβ 的产生此外, 通过一种依赖 TBK1 和 IKKε 的机制,NOD1 和 NOD2 的激活可以诱导含 RIP2 和 TRAF3 的蛋白复合体的形成, 导致 IRF7 的激活和 IFNβ 的感应事实上, 由幽门螺旋杆菌引起的感染可以通过一种依赖 NOD1 和 NOD2 的机制激活一个类型 1 IFN 应答, 导致 Stat1 激活和进一步的细菌装载的清除 [15,17] NOD1 和 NOD2 还可以增强自我吞噬作用, 自我吞噬是通过溶酶体介导的破坏过程, 是细胞内微生物移除的一个重要过程 [18-20] NOD1 和 NOD2 激动剂可以诱导体外和体内的自我吞噬作用 NOD1 和 NOD2 蛋白都可与 ATG16L1 相互作用, 且都与 ATG16L1 共集中在细胞质膜上 [15,20],ATG16L1 是类泛素系统的重要组成, 类泛素系统在自噬体的形成中很重要 NOD1 通过自我吞噬限制细菌装载, 用 Shigella flexneri 感染之后, 缺乏 NOD1 的细胞与野生型细胞相比, 细胞内的细菌含量更高 [20] 基因中编码 NOD1 和 NOD2 的遗传多态性被越来越多的与慢性炎性疾病联系起来 NOD1 和 NOD2 在炎性疾病中的潜在作用已经通过一系列动物模型的调查揭示出来许多活体内的研究已证明 NOD1 和 NOD2 在宿主防御中的作用例如,NOD1 和 NOD2 都能促进细胞内病原体肺炎衣原体从肺中的清除 Nod1-/- 和 Nod2-/- 的老鼠会延迟清除肺部细菌且 inos 的表达及 NO 的产生有缺陷, 说明 NOD1 和 NOD2 可识别 C. pneumoniae NOD1 与宿主抵御多种病原菌联系在一起, 肽聚糖的成分 meso-dap(nod1 激动剂 ) 可以通过 NOD1 激活人体上皮细胞来分泌抗菌因子和细胞因子 [21] 同样,NOD2 能检测细胞外的细菌如金黄色葡萄球菌和细胞内的原生动物如刚地弓形虫, 被认为是宿主免疫的重要分子许多研究证明, 缺乏 TLRs 的肠细胞中致病菌的识别依赖 NOD1 的激活, 与 NOD2 相比, 在人感染革兰氏阴性肠原杆菌的单层上皮细胞中,NOD1 对激活 NF-κB 是必要的储备机制, 这种肠原杆菌可以逃避 TLR 的感应 NOD1 也可充当 NOD2 的储备例如, 在缺乏 NOD2 的巨噬细胞中,NOD1 激动剂完全有能力刺激细胞因子如 TNFα 和 IL-6 的分泌, 诱导 NF-κB 和 MAPK 激活 [10,22] NOD2 的表达可使膜上皮细胞对细菌产物敏感, 增强趋化细胞因子 IL-8 和防御素的释放 [22] 缺乏 NOD2 的老鼠的对 cytoinvasive Listeria monocytogenes 引起的口腔感染高度易感因而, 在维持肠道屏障功能, 抵御细胞病原体完整性时,NOD2 被认为充当了分子哨兵的作用 [23,24] 越来越多的研究表明 NOD1 和 NOD2 信号的异常会引起或造成各种各样的人类疾病遗传研究表明, 一些 NOD2 变体与克隆式疾病 (CD) 的易感性有关 [25],CD 是人类慢性复发缓解型炎症性肠病, 特征是回肠末端内部特殊的穿壁性炎症, 以间断的方式影响整个肠胃 [23,25] 常见的 NOD2 突变的个体纯合子或混合杂合子有大约 20 倍的发病风险 [26], 而杂合个体只有两倍的风险生物化学和功能研究显示, 人类与 CD 相关的 NOD2 变体在应答 MDP 时激活 NF-κB 的能力会下降或缺失, 但对 LPS 激活仍维持正常应答 [27,28] 此外, 从 CD 病人中分离出的单核细胞或健康个体的纯合子常见 NOD2 突变的混合杂合子在 MDP 刺激后,TNFα IL-6 IL-10 和 IL-1β 等炎性细胞因子的分泌减少与 CD 相关的 NOD2 突变在 MDP 识别的选择性损伤中可引起功能失活的表现型 NOD2 编码基因的错义突变还与 Blau 综合征的发病有关 [26] Blau 综合征是一种常染色体显性遗传病, 临床上主要表现为不依赖病原微生物刺激的无菌性炎症, 其发病相关基因位于 16 号染色体, 与 NOD2 基因相邻 NOD2 编码基因的错义突变引起 NF-κB 持续活化, 导致炎症的产生 [29] 此外, NOD2 多态性与 EOS 综合征的发病也有关系 [30], EOS 在许多情况下可引起严重的并发症, 如破坏性的关节病或失明,EOS 综合征与 Blau 综合征遗

4 2013 年第 7 期李奕平等 : 核苷酸结合寡聚化结构域 NOD 样受体 (NLRs) 研究进展 39 传病理相同, 均是由于 CARD15 突变引起 NF-κB 激活 [30,31] 4 展望过去几年里在对 NLR 蛋白功能的理解中取得了显著进展一些 NLR 蛋白介导宿主对病原体感应器的应答, 可以在病原体入侵期间调节炎性反应 NLR 信号引起 NF-κB,MAPK 和 caspase-1 的激活, 从而引起炎性细胞因子, 趋化因子和抗菌分子的感应迄今为止,NOD1 和 NOD2 是 NLR 家族蛋白中研究得最深入的关于这些蛋白的试验研究给我们提供了在宿主抵御和炎性疾病中这些先天免疫蛋白多种作用的理解然而, 许多关于 NLR 蛋白功能的问题还没有解决调节 NOD1/NOD2 活性的细胞机理仍有待研究, 同样, 一些下游与 NOD 信号复合体有关的事件如 NF-κB, 应力激酶,IFN 应答, 自我吞噬和其他过程的激活也有待研究重要的是,NOD1 和 NOD2 药理学调制的治疗方法大部分仍未开发其中一个关键问题是 NOD1 或 NOD2 的活性是否可以被有效的抑制而不会对宿主抵御内源性微生物和病原微生物造成过度损伤除此之外, 还有许多问题有待解决, 如 NOD1 和 NOD2 之间是否存在相互作用 ; 它们与其他天然免疫受体又通过怎样的作用机制共同调节天然免疫和特异性免疫对这些问题的回答将为我们研究人类抗感染抗肿瘤和探索相关疾病的防治提供新的切入点参考文献 [1] Bergboer JG, Zeeuwen PL, Schalkwijk J. Genetics of psoriasis : evidence for epistatic interaction between skin barrier abnormalities andimmune deviation[j]. Invest Dermatol, 2012, 132(10): [2] Kanneganti TD, Lamkanfi M, Núñez G. Intracellular NOD-like receptors in host defense and disease[j]. Immunity, 2007, 27(4): [3] Akira S. Innate immunity and adjuvants[j]. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci, 2011, 366(1579): [4] Monie TP, Bryant CE, Gay NJ. Activating immunity :lessons from the TLRs and NLRs[J]. Trends Biochem Sci, 2009, 34(11): [5] Inohara N, Nunez G. Cell death and immunity :NODs :intracellular proteins involved in inflammation and apoptosis[j]. Nat Rev Immunol, 2003, 3 : [6] Ye ZM, Ting JPY. NLR, the nucleotide-binding domain leucine-rich repeat containing gene family[j]. Curr Opin Immunol, 2008, 20 (1):3-9. [7] Wilmanski JM, Petnicki-Ocwieja T, Kobayashi KS. NLR proteins : integral members of innate immunity and mediators of inflammatory diseases[j]. Leukoc Biol, 2008, 83(1): [8] Proell M, Riedl SJ, Fritz JH, et al. The nod-like receptor(nlr) family :a tale of similarities and differences[j]. PLoS One, 2008, 3(4):e2119. [9] Bonardi V, Dangl JL. How complex are intracellular immune receptor signaling complexes?[j]. Frontiers in Plant Science, 2012, 3 : 237. [10] Correa RG, Milutinovic S, Reed JC. Roles of NOD1(NLRC1) and NOD2(NLRC2)in innate immunity and inflammatory diseases[j]. Biosci Rep, 2012, 32 : [11] Kaparakis M, Philpott DJ, Ferrero RL. Mammalian NLR proteins ; discriminating foe from friend[j]. Immunology and Cell Biology, 2007, 85 : [12] Magalhaes JG, Philpott DJ, Nahori MA, et al. Murine Nod1 but not its human orthologue mediates innate immune detection of tracheal cytotoxin[j]. EMBO Rep, 2005, 6 : [13] Meylan E, Tschopp J, Karin M. Intracellular pattern recognition receptors in the host response[j]. Nature, 2006, 442 : [14] Tattoli I, Travassos LH, Carneiro LA, et al. The nodosome :Nod1 and Nod2 control bacterial infections and inflammation[j]. Semin Immunopathol, 2007, 29(3): [15] Correa RG, Milutinovic S, Reed JC. Roles of NOD1(NLRC1) and NOD2(NLRC2)in innate immunity and inflammatory diseases[j]. Biosci Rep, 2012, 32 : [16] Seth RB, Sun L, Chen ZJ. Antiviral innate immunity pathways [J]. Cell Res, 2006, 16 : [17] Watanabe T, Asano N, Fichtner-Feigl S, et al. NOD1 contributes to mouse host defense against Helicobacter pylori via induction of type I IFN and activation of the ISGF3 signaling pathway[j]. Clin Invest, 2010, 120 : [18] Cooney R, Baker J, Brain O, et al. NOD2 stimulation induces

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