NOD受体_细胞内的模式识别受体家族_丁彦春.pdf

文章编号 1000 4718 2008 12 2488 05 收稿日期 2007 05 29 修回日期 2007 11 25 v 通讯作者 E mai l qupeng777 yahoo co m cn NOD受体 细胞内的模式识别受体家族 丁彦春 曲 鹏 v 大连医科大学附属二院心血管内科 辽宁 大连 116027 The intracellular pattern recognition receptors NOD like receptors DI NG Yan chun QU Peng Department of Cardiology The Second AffiliatedHospital of DalianMedical University Dalian 116027 China E mail qupeng777 yahoo com cn A Review NODs are cytosolic proteins that contain a nucleotide binding oligomerization domain NOD These intracellular proteins are a class of pattern recognition receptors with unique functions in the innate and the acquired i m mune syste ms NOD like receptors including NOD1 andNOD2 are associatedw ith host responses to intracellular invasion by bacteria or the intracellular presence of specific bacterialproducts Activation ofNOD like receptors initiates proinfla m matory signalling viaNF JB activation which is necessary for clearance of infecting pathogens from the host Several di f ferentmutations in the genes encoding NOD1 andNOD2 are associated with susceptibility to inflammatory disorders 关键词 受体 核苷酸结合的寡聚结构域 先天免疫 KEYWORDS Receptor nucleotide binding oligomerization do main Innate i mmunity 中图分类号 R363 文献标识码 A 真核生物通过先天免疫和获得性免疫识别和清 除入侵的病原微生物 同获得性免疫相比 先天免 疫在病原体入侵后能迅速被激活 形成了防御病原 体入侵的第一道防线 先天免疫系统是通过特殊的 模式识别受体 pattern recognition receptors PRRs 感知病原体关联的分子模式 pathogen associated molecular patterns PAMPs 来识别入侵的病原体 1 PAMPs包括细菌细胞壁的成份如肽聚糖 peptidogly can PGN 和脂多糖 lipopolysaccharide LPS 以及 鞭毛和细菌核酸残基 宿主的 PRRs感知病原体的 PAMPs后 迅速激活一系列信号转导通路 启动宿主 的防御反应 引起炎症和对感染的抵抗 这些反应 包括吞噬细胞的聚集 抗菌多肽的释放以及细胞因 子 化学趋化因子和前列腺素网络的形成 PRRs从功能上可以分为四种类型 循环在体 液中的体液成份 如急性期反应蛋白或补体 它们能 够调理微生物或衍生出一些能够标记微生物的物 质 使微生物能够被其它受体识别 细胞表面表达 的胞吞受体 如清道夫受体或凝集素受体 它们能直 接与微生物表面结构结合 调理吞噬细胞的受体 Fc和补体受体 它们能够识别抗体和被补体包被 的微粒 信号转导受体 如 TLR toll like recep tors 和 NOD受体 它们具有完整的传递从识别病原 体信号到引起特定的下游效应信号的能力 2 哺乳 动物 PRRs和它们的主要配体见表 1 3 TLR是第一个在果蝇体内发现的 PRRs 它的发 现为阐明启动炎症反应的分子事件打开了一个崭新 的领域 4 TLR在先天免疫中的关键作用是明确 的 并被大量实验所证实 但是一些实验观察表明 宿主对病原体入侵的防御反应不可能只依赖 TLR TLR主要位于细胞膜上 其功能是识别细胞外的 PAMPs 细菌为了避免被清除已经发展出一种侵入 和通过上皮细胞层的对策 在侵入上皮细胞层 进 入上皮下的空间后 细菌遭遇到吞噬细胞的局部抵 抗 但是细菌能够利用各种对策避免被吞噬细胞的 溶酶体吞食和降解 5 最近一种功能上与 TLR 相 似 但位于细胞胞质溶胶的蛋白家族 NOD受体被发 现 它们能识别细胞内的细菌产物 启动免疫反应 代表了细胞内的一种防御监测手段 6 2488 中国病理生理杂志 Chinese JournalofPathophysiology 2008 24 12 2488 2492 表 1 哺乳动物 PRRs和它们的主要配体 Tab 1 M a mmanlian pattern recognition receptors and theirmajor ligands Fa m ilyM e mber major ligand TLRsTLR1 triacyl lipopeptides TLR2 LTA zymosan lipopeptides TLR3 dsRNA polyI C TLR4 LPS TLR5 flagellin TLR6 diacyl lipopeptides TLR7 ssRNA R848 TLR8 ssRNA R848 TLR9 CpGDNA TLR11 profillin likemolecule C type lectin receptorsM annose receptor ligands bearingmannose fucose or N acetyl glucosamine DC SIGN ICAM 2 3 H I V gp120 M ycobacterium tuberculosisM anLAM Dectin 1 zy mosan B glucans fro m fungi Scavenger receptorsScavenger receptor A modified LDL apoptotic cells CD36 oxidized LDL apoptotic cells MARCO modified LDL Co mple ment receptorsIntegrins CR3 iC3b B glucan fibrinogen CR4 iC3b B glucan fibrinogen gC1qR C1q C5aR C5a IFN inducible proteinsPKR dsRNA OASs dsRNA CARD helicasesR I G I uncapped 5p triphosphate RNA MDA5 polyI C dsRNA from EMCV NOD like receptorsNOD1 i E DAP NOD2 MDP 14 NALPs NALP1 cell rupture NALP1b anthrax lethal tox in NALP3 bacterialmRNA R848 extracellularATP uric acid crystals IPAF Sal monella flage l lin NA IP5 Legionella flagellin Co mple mentC3 carbohydrates and proteins on microbial surfaces C1q i mmune complexes apoptotic cells Pentrax insSAP LPS C1q apoptotic cells CRP PC C1q apoptotic cells PTX3 galactomannan C1q zy mosan apoptotic cells CollectinsM BL LPS LTA H I V gp120 CARD caspase recruiting domain CR co mple ment receptor CRP C reactive protein DC dendritic cel ldsRNA double stranded RNA EMCV encephalomyocarditisvirus H I V human i mmunodeficiency virus ICAM intercellular adhesionmolecule iE DAP ga mma D glutamyl meso diaminopi melic acid IFN interferon IPAF I CE protease activating factor LDL low density lipoprotein LPS lipopolysaccharide LTA lipoteichoic acid M anLAM mannose capped lipoarabino mannan MARCO mac rophage receptor with collagenous structure M BL mannose binding lectin MDA5 melano ma differentiation associated gene 5 MDP muramyl dipeptide NA IP neuronal apoptosis inhibitor protein NOD nucleotide binding oligo merization do main OAS 2c 5c oligoadenylate synthetase PC phosphorylcholine PKR double stranded RNA activated protein kinase PTX pentraxin R I G I retinoic acid inducible gene I SAP serum a myloid protein SI GN specific I CAM 3 grabbing nonintegrin ssRNA single stranded RNA TLR toll like receptor 1 NOD受体的结构和配体 NOD受体共同特点是具有 3个特征性结构 域 7 8 1个 C 末端富含亮氨酸的重复结构域 leu cine rich repea t LRR 涉及配体的识别 1个中心 的核苷酸结合的寡聚结构域 nucleotide binding o l igomerization dom ain NOD 也称为 NACHT 结构域 以及 1个 N 末端蛋白 蛋白相互作用的结构域 如 半胱天冬酶激活和聚集结构域 caspase activation and recruit m ent domain CARD 其中 NOD1有 1个 CARD结构域而 NOD2有 2个 NOD1和 NOD2 都能识别来自细菌细胞壁的 PGN独特的亚结构 PGN是除了支原体和衣原体以 外多数细菌细胞壁上的成份 负责形成细菌的外形 它是由聚糖链组成 这个聚糖链是由短肽联结的相 互交联的 N 乙酰葡聚糖胺 N acetylglucosam ine Glc Nac 和 N 乙酰胞壁酸 N acetyl muram ic acid MurNac 糖组成 G 菌和 G 菌的 PGN 最重要的区 别就在于这个短肽的第 3个氨基酸的性质 G 菌中 这个氨基酸通常是个亮氨酸 而多数 G 菌则是二氨 基庚二酸 diam inopi melic acid DAP 9 刺激 NOD1 和 NOD2所需要的分子基序是不同的 这表明对于 PGN NOD1和 NOD2都有独特的 不相互重叠特异性 NOD1所识别的微小结构是二肽 D G lu m eso DAP 10 其中 meso DAP氨基酸位于这个结构的 末端 但是目前还没有证实这个结构是细菌的自然 产物 研究表明 NOD1所能识别的 PGN 的自然降 解产物是 GlcNAc Mur NAc L Ala D Glu meso DAP GM T ri DAP 11 最重要的是需要注 意到 NOD1识别这些产物是依靠 1个暴露的 meso DAP meso DAP是真核生物没有的氨基酸 它代 表细菌起源的非常简单的标记 是大多数 G 菌和一 些 G 菌如芽胞杆菌的特征 NOD1的这种识别细菌 的特异性可能代表宿主的一种选择优势 特别是在 一些 G 菌是主要威胁的情况下 如肠道黏膜的上皮 细胞中 NOD2所能识别的微小结构是胞壁酰二肽 Mur 2489 NAc L A la D isoGln MDP 12 有趣的是 MDP是普遍存在于 G 和 G 菌 PGN中的一个微小 组份 通过识别这种基序使 NOD2成为一个广谱的 感知细菌的感受器 MDP也不是在细菌的自然产物 中发现的 但是相应的胞壁肽 GlcNAc MurNAc L Ala D isoGln GM Di 存在于细菌的自然产物 中 NOD2目前已被确定为克隆氏病的易感基因 NOD2的突变 使它不能识 别 PGN 和 MDP 缺 乏 NOD2的监测作用可能导致肠黏膜对细菌感染局部 反应的缺陷 继而启动全身反应 导致紊乱的炎症反 应 13 NOD受体的配体首先要到达各自 NOD蛋白的 LRR结构域才能激活 NOD蛋白 但是这个过程的具 体细节目前还不完全清楚 有两种推测 一种与胞吞 细胞有关 胞吞细胞如巨噬细胞或树突状细胞吞噬 消化整个细菌而产生这些肽类配体 14 另一种与上 皮细胞有关 研究表明在上皮细胞的顶端可能存在 肽类运载体 1 peptide transporter PEPT 它能够将 MDP转运到细胞内 随后介导 NF JB的激活 此 外最近有研究表明幽门螺旋杆菌能够把 PGN 注入 0 上皮细胞内 15 这些发现表明 PGN能够通过各种 涉及细菌 宿主相互作用机制进入细胞内 当这些 来源于 PGN 的小片段肽进入细胞内 它们通过与 NOD1和 NOD2的 LRR结构域相互作用 引起 NOD1 和 NOD2自身寡聚化 通过 N 末端 CARD CARD 相互作用的方式与下游的效应分子相结合 启动炎 症反应 2 NOD受体的信号转导通路 NOD1和 NOD2被它们各自的配体激活后的一 个主要结果就是引起下游的 NF JB信号通路的激 活 NOD1和 NOD2感知到 PGN后能迅速形成寡聚 体 然后通过 CARD CARD的相互作用引起受体相 互作用蛋白 2 receptor interacting protein 2 RIP2 的聚集 16 NOD RIP2复合物能够引起 NF JB 抑制剂激酶复合物 inhibitor of NF JB kinase com plex I KK 聚集 继而通过蛋白酶的磷酸化和泛素化 降解 NF JB的抑制剂 inhibitor of NF JB IJB 使 NF JB 与其抑制剂分离 导致 NF JB 的激 活 14 由于肿瘤坏死因子 tumor necrosis factor TNF I L 1B和 TLRs信号通路都能激活 NF JB 17 目前还不清楚 NOD蛋白的激活是如何引起 特异的 NF JB介导的先天免疫反应 但是有研究 表明 NOD2依赖的 NF JB 调节因子 NEMO 也叫 I KKC 聚集引起一个特异的赖氨酸残基 K285的泛 素化 而 TNF信号通路是引起 K399的泛素化 18 NOD1和 NOD2激活的另一个结果是丝裂原活 化的蛋白激酶 m itogen activated protein kinase MAPK 通路的激活 用 MDP 刺激野生型而不是 NOD2敲除的巨噬细胞能够引起 p38MAPK和细胞外 信号调节激酶 extracellular signal regulated k i nase 的激活 19 20 此外 NOD1的激活也能够导致 JUN末端激酶 JUN N ter m inal kinase JNK 的激 活 这种非 NF JB依赖的信号转导机制目前还不 清楚 此外 在细胞转染和免疫沉淀试验中发现 NOD和半胱天冬酶 1前体结合 并且研究发现细 胞用编码 NOD2和半胱天冬酶 1前体的质粒转染 后 刺激 NOD2能诱导 IL 1B的分泌 由于半胱天 冬酶 1是 I L 1B前体加工为成熟的 IL 1B所必 备的 因此 NOD2或许通过 CARD CARD相互作用 方式结合半胱天冬酶前体 并把它转化为半胱天冬 酶 14 NOD1和 NOD2中的 NOD和 CARD能够与其它 含有这些结构的蛋白相互作用 这使得 NOD1 和 NOD2的功能能够被其它 NLR家族成员或其它含有 CARD的蛋白质调节 研究表明 在 CARD12过表 达的细胞中 CARD12能够以 NOD NOD相互作用 的方式与 NOD1和 NOD2结合 影响 NOD蛋白的信 号转导 抑制 NOD1和 NOD2介导的 NF JB信号通 路的激活和 I L 1B的产生 21 CARD6能够在生理 条件下与 NOD1和 RIP2 但不能与 NOD2 相互作 用 通过与 NOD1竞争与 RIP2的结合来影响 NOD1 的信号转导 3 NOD受体在免疫中的作用 NOD1和 NOD2在先天和获得性免疫中的作用 还远未清楚 然而过去 20年中纯化和合成的 PGN 的多项研究已经证实了 NOD1和 NOD2的生物学功 能 在动物模型中给予 MDP和 i E DAP的衍生物 能够诱导出针对包括 G 和 G 细菌 真菌和肿瘤生 长的广泛的防御反应 抗体中和实验表明这种广泛 的抗微生物效应是通过诱导关键的促炎症细胞因子 TNF和 I L 1产生的 PGN衍生的化合物被证实能 够诱导巨噬细胞产生活性氧簇和清除病原体的反 应 iE DAP的衍生物也被证实能够诱导 IL 2活 化的淋巴细胞的细胞毒性反应 最近的研究表明 MDP能够诱导 NF JB的激活 而所有 MDP诱导的 基因都与 NOD2有关 已知 MDP 能够诱导多种介 质的分 泌 如促炎 症细胞 因子 TNFA IL 1A I L B 化学趋化因子 如 IL 8 CCL3 CCL4 造血 生存因子 IL 6 G CSF GM CSF 并能够 合成一氧化氮合酶 所有这些都是抵抗病原体的先 天免疫反应的关键因子 22 MDP还能够诱导黏附 分子 如 ICAM1 CD44 TNFAIP6 的表达 这些分子 能够促进炎症细胞向感染部位的聚集 因此 MDP 和 iE DAP能够引起多种清除病原体的免疫反应 2490 MDP还是刺激抗原特异性 T 和 B细胞反应 迟 发型高敏反应和抗体产生的免疫佐剂 同样 iE DAP的衍生物在动物模型中也能增强免疫佐剂反 应 MDP与 LPS能够协同诱导细胞因子的产生 表 明 TLRs和 NOD蛋白在清除细菌的免疫反应中具有 协同作用 4 NOD受体和人类疾病 对 NOD受体在先天免疫中的重要性的认识通 过发现 NOD受体突变与人类某些免疫性疾病的发 生有关得到进一步加深 NOD1和 NOD2的突变与 炎症性黏膜屏障疾病有关 NOD1的突变还与哮喘 和炎症性肠病的易感性增加有关 23 24 这个突变是 NOD1的 1个内含子插入 缺失的基因多态性 与 哮喘有关的 NOD1等位基因突变被发现伴有增加的 免疫球蛋白 E 而免疫球蛋白 E的增加与过敏原特 异的免疫球蛋白 E无关 此外 NOD1的 LRR结构 域剪接变体被发现在健康人和哮喘病人中都存在 进一步研究需要阐明 NOD1的剪接变体和遗传变异 产物是否有能力并在何种程度上识别 PGN 以及它 们是如何启动哮喘和炎症性肠病的 NOD2基因在编码 NOD和 LRR结构域的突变 与一系列炎症性疾病有关 这些炎症性疾病的特点 是肉芽肿性炎症 如 Crohnp s病 Blau综合征和早发 的伯克氏肉样瘤病 Blau综合征和早发的伯克氏肉 样瘤病都是常染色体显性遗传病 与 NOD2基因在 编码 NOD结构域的错义点突变有关 这些突变导 致不依赖 MDP的 NF JB基础活性增加 显示出一 个机能增加的表现型 25 这些疾病的一个共同特点 是青少年开始起病的全身性肉芽肿病 主要影响皮 肤 关节和眼睛 NOD2突变发生在 LRR结构域可 以引起 Crohnp s病 这些突变能干扰 NOD2识别配体 的能力 因此 携带这种 NOD2突变形式的细胞其 MDP刺激引起的 NF JB激活能力下降 5 结语 TLRs的发现为我们开启了理解启动宿主抵抗 病原体入侵的先天免疫反应的分子事件的新时代 而在最近的几年里 通过对 NOD受体以及它们的信 号下游通路的认识 使我们对哺乳动物宿主识别微 生物的机制有了更深入的认识 宿主识别细菌和病 毒的先天免疫系统同时存在于细胞表面和细胞内 胞质溶胶内或细胞内小囊泡 这些存在于不同细 胞间隙中的病原体检测系统有助于宿主细胞产生一 个对病原体识别的协同反应 而且具有感知病原体 的不同部位能够使宿主细胞应付更大范围的感染 不管微生物是在细胞外还是侵入到细胞内 在未来的几年里仍然需要大量的研究工作来弄 清楚 NOD受体在宿主防御 炎症和疾病中的作用 NOD受体在特定的细胞群中的亚细胞定位 运输和 表达仍然需要进一步确定 NOD受体基因突变与炎 症性疾病发生之间的关系已经得到确定 但是要将 这种发现转化为治疗炎症性疾病的手段仍然需要进 一步的研究 总之 对 NOD受体的研究依然是一条 漫长和艰辛的路 参 考 文 献 1 Janeway CA Jr M edzhitov R Innate i mmune recognition J AnnuRev I mmuno l 2002 20 197 216 2 Fritz J H G irardin SE How Toll like receptors and Nod like receptors contribute to innate i mmunity inma mmals J JEndotoxin Res 2005 11 6 390 394 3 Lee MS K i m YJ Pattern recognition receptor signaling initiated fro m extracellular me mbrane and cytoplasm ic space J M olCells 2007 23 1 1 10 4 Cristofaro P OpalSM Role ofToll like receptors in in fection and i mmunity clinical i mplications J Drugs 2006 66 1 15 29 5 HornefMW W ick M J RhenM et a l Bacterial strate gies for overcoming host innate and adaptive i mmune re sponses J Nat I mmuno l 2002 3 11 1033 1040 6 Inohara Cha maillard M c Donald C et a l NOD LRR proteins role in host m icrobial interactions and infla m matory disease J Annu Rev Bioche m 2005 74 355 383 7 T ing JP Davis BK CATERPILLER a novel gene family i mportant in i mmunity cell death and diseases J An nuRev I mmuno l 2005 23 387 414 8 ChamaillardM G irardin SE V iala J et a l Nods Nalps andNaip intracellular regulatorsofbacterial induced in flammation J CellM icrobio l 2003 5 9 581 592 9 Boneca IG The role ofpeptidoglycan in pathogenesis J CurrOpinM icrobio l 2005 8 1 46 53 10 G irardin SE Boneca I G Carneiro LA et a l Nod1 de tects a uniquemuropeptide from gra m negative bacterial peptidoglycan J Science 2003 300 5625 1584 1587 11 Cha maillardM Hashi motoM HorieY et a l An essen tial role for NOD1 in host recognition of bacterial pept i doglycan containing diaminopi melic acid J Nat I mmu no l 2003 4 7 702 707 12 G irardin SE Boneca IG V iala J et a l Nod2 is a gener al sensor of peptidoglycan through mura myl dipeptide MDP detection J J Biol Chem 2003 278 11 8869 8872 13 Inohara N Ogura Y FontalbaA et a l Host recognition of bacterialmuramyl dipeptide mediated through NOD2 I mplications for Crohnp s disease J JBiolChe m 2003 2491 278 8 5509 5512 14 StroberW M urray PJ K itaniA et a l Signalling path ways andmolecular interactions ofNOD1 and NOD2 J NatRev I mmuno l 2006 6 1 9 20 15 V avricka SR M usch MW Chang JE et a lhPepT1 transports muramyl dipeptide activating NF kappa B andsti mulatingIL 8secretioninhumancolonic Caco2 bbe cells J Gastroenterology 2004 127 5 1401 1409 16 KuferTA Fritz J H PhilpottDJ NACHT LRR proteins NLRs in bacterial infection and i mmunity J T rends M icrobio l 2005 13 8 381 388 17 张 方 李子玲 施 毅 等 LPS致大鼠肺泡巨噬细 胞 NF JB促进 TNF A分泌 J 中国病理生理杂 志 2007 23 7 1412 1414 18 Abbott DW W ilkins A Asara J M et a lThe Crohnp s disease protein NOD2 requires RIP2 in order to induce ubiquitinylation of a novel site on NEMO J Curr Bio l 2004 14 24 2217 2227 19 PauleauAL M urray PJ Role of nod2 in the response of macrophages to toll like receptor agonists J M olCell Bio l 2003 23 21 7531 7539 20 KobayashiKS Cha maillardM Ogura Y et a l Nod2 dependent regulation of innate and adaptive i mmunity in the intestinal tract J Science 2005 307 5710 731 734 21 M ariathasan S Ne wtonK M onack DM et a l D ifferent i al activation of the infla mmasome by caspase 1 adaptors ASC and Ipaf J Nature 2004 430 6996 213 218 22 HysiP KabeschM MoffattMF et a l NOD1 variation i mmunoglobulin E and asthma J Hum Mol Genet 2005 14 7 935 941 23 Nau GJ R ichmond JF Schlesinger A et a l Human macrophageactivation programsinduced bybacterial pathogens J Proc NatlAcad SciUSA 2002 99 3 1503 1508 24 M c Govern DP HysiP AhmadT et a l Association be tween aco mplexinsertion deletionpoly morphismin NOD1 CARD4 and susceptibility to infla mmatory bowel disease J Hum M ol Genet 2005 14 10 1245 1250 25 K anazawa N Okafuji I Ka mbe N et a l Early onset sarcoidosis and CARD15 mutations with constitutive nu clear factor kappa B activation common genetic etiology w ith Blau syndro me J Blood 2005 105 3 1195 1197 上接第 2487页 20 Zujovic V Benavides J V ig X et a l Fractalkine mod ulatesTNF alpha secretion and neurotoxicity induced by m icroglial activation J G lia 2000 29 4 305 315 21 M eucciO FatatisA Si menAA et a l Che mokines reg ulate hippocampal neuronal signaling and gp120 neurotox icity J Proc NatlAcadSciUSA 1998 95 24 14500 14505 22 Zujovic V Schussler N Jourdain D et a l In vivo neu tralization of endogenous brain fractalkine increases hipp oca mpal TNF alpha and 8 isoprostane production in duced by intracerebroventricular injection of LPS J J Neuroi