鳥苷酸結合蛋白家族在感染性疾病中調控炎癥小體活化的研究進展

全舒婷，焦偉偉,2，徐放，孫琳,2，綦輝,2，申阿東,2

綜 述

鳥苷酸結合蛋白家族在感染性疾病中調控炎癥小體活化的研究進展

全舒婷1，焦偉偉1,2，徐放3,2，孫琳1,2，綦輝1,2，申阿東1,2

1. 國家兒童醫(yī)學中心，首都醫(yī)科大學附屬北京兒童醫(yī)院，北京市兒科研究所，國家呼吸系統(tǒng)疾病臨床醫(yī)學研究中心，兒科學國家重點學科，兒科重大疾病研究教育部重點實驗室，兒童呼吸道感染性疾病研究北京市重點實驗室， 北京 100045 2. 首都醫(yī)科大學附屬北京兒童醫(yī)院保定醫(yī)院，保定市兒童感染性疾病精準診治重點實驗室，保定 071000 3. 國家兒童醫(yī)學中心，首都醫(yī)科大學附屬北京兒童醫(yī)院，北京市兒科研究所，兒科學國家重點學科，兒科重大疾病研究教育部重點實驗室，出生缺陷遺傳學研究北京市重點實驗室，遺傳與出生缺陷防治中心，北京 100045

鳥苷酸結合蛋白(guanylate-binding proteins，GBP)是一類干擾素誘導蛋白，在應對細菌、病毒、衣原體以及寄生蟲等病原體感染時，其發(fā)揮的作用存在差異，并且影響感染性疾病的發(fā)展和結局。目前，研究者發(fā)現(xiàn)在細菌等病原體感染引發(fā)的細胞自主免疫中，GBP蛋白通過影響炎癥小體的經(jīng)典和非經(jīng)典活化途徑調控細胞焦亡。本文對GBP家族成員結構、進化特征以及炎癥小體的經(jīng)典和非經(jīng)典活化途徑進行了介紹，綜述了GBP蛋白調控炎癥小體活化的相關研究進展，歸納總結了GBP蛋白影響不同病原體感染的作用機制，以期為感染性疾病的發(fā)病機制和診療提供新的基礎研究線索。

鳥苷酸結合蛋白；感染性疾??；炎癥小體；炎癥小體經(jīng)典活化途徑；炎癥小體非經(jīng)典活化途徑

鳥苷酸結合蛋白(guanylate-binding proteins，GBP)家族是一類分子量在65～73 kDa的鳥苷三磷酸酶(guanosine 5′-triphosphatases，GTPases)家族，其表達受到I型干擾素(interferon，IFN) IFN-α和IFN-β以及II型干擾素IFN-γ的誘導[1]。GBP家族是動力蛋白GTPase超家族的成員之一，該超家族還包括：免疫相關GTPases亞家族(immunity-related GTPases，IRGs)，超大GTPases家族(very large inducible GTPases，VLIGs)和抗黏液病毒蛋白亞家族(myxoma resistance proteins，MXs)等成員[2,3]。GBP家族成員種類以及編碼基因的染色體位置在不同物種中存在差異，如人GBP蛋白有7種(hGBP1～hGBP7)，編碼基因位于1號染色體，而鼠GBP蛋白有11種(mGBP1～mGBP11)，編碼基因位于3號和5號這兩條染色體上(圖1A)[4]。GBP家族成員在多種免疫細胞內廣泛分布，在單核巨噬細胞、T淋巴細胞、B淋巴細胞和NK細胞中多有表達[4,5]。GBP家族成員在宿主抵御細菌、病毒、衣原體以及寄生蟲等不同病原體感染中發(fā)揮的作用及作用途徑并不相同，但均能夠影響感染性疾病的發(fā)展和結局[4,5]。其中，GBP家族成員在宿主抵御細菌等病原體感染的細胞自主免疫應答中，通過調控炎癥小體活化而影響細胞焦亡，引起了研究者的廣泛關注[6]。

除了經(jīng)典的固有免疫應答和適應性免疫應答外，脊椎動物等多細胞動物還利用細胞內的防御系統(tǒng)來識別胞內病原體，限制病原體的復制，甚至以細胞自主的方式殺死病原體。以上這些細胞自衛(wèi)反應被稱為細胞自主免疫應答，普遍存在于免疫細胞和非免疫細胞中，其反應的激活依賴于細胞對病原體的識別[7]。細胞通過模式識別受體(pattern recognition receptor，PRR)識別病原體相關分子模式(pathogen- associated molecular patterns，PAMP)，激活信號轉導，分泌多種促炎細胞因子，可直接殺傷病原體、增強其他固有免疫細胞殺死病原體，同時通過抗原提呈活化適應性免疫應答細胞[7]。在細胞自主免疫中，IFN誘導產(chǎn)生大量GBP家族蛋白，參與了宿主細胞內囊泡轉運、自噬、蛋白翻譯后修飾以及炎癥小體活化等生命活動[1]。其中，GBP家族成員可以通過促進炎癥小體經(jīng)典和非經(jīng)典途徑的活化，使促炎細胞因子IL-1β和IL-18等釋放到胞外，并引起依賴半胱氨酸蛋白酶-1 (cysteine aspartic acid specific protease-1，caspase-1)和(或)caspase-11/4/5的程序性細胞死亡，即細胞焦亡[8]，阻止病原體在宿主體內的擴散。近年來，GBP家族成員在激活炎癥小體促進細胞焦亡方面的作用引發(fā)了越來越多學者的關注。本文將對GBP家族成員結構、進化特征、炎癥小體的經(jīng)典和非經(jīng)典活化途徑以及GBP家族調控炎癥小體活化等方面的研究進展展開綜述。

1 GBP家族的蛋白結構

人和鼠的GBP蛋白結構相似，主要包括三個部分：N端的球狀GTPase結合域(也稱LG結構域)、中間結構域和C端α螺旋GTPase效應域[9](圖 1B)。GBP蛋白能夠與鳥嘌呤三核苷酸磷酸(guanosine triphosphate，GTP)結合，并在兩者結合后，GBP蛋白會表現(xiàn)出很高的GTPase和鳥苷二磷酸酶(guanosine 5′-diphosphatase，GDPase)活性(催化速率常數(shù)約為80～150/min)[10,11]。與鳥苷二磷酸(guanosine diphosphate，GDP)結合的hGBP5能夠形成封閉的面對面二聚體結構，這種封閉構象對于hGBP5抗人類免疫缺陷病毒I型(human immunode-ficiency virus type I，HIV-1)的活性至關重要[12]。此外，GBP蛋白的N端GTPase結構域能夠與核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3 (nucleotide oligome--rization domain(NOD)- like receptor protein 3，NLRP3)炎癥小體中的半胱氨酸激活和募集結構域(caspase activation and recruitment domain，CARD)結合，促進NLRP3炎癥小體組裝并激活下游信號通路[13]。

GBP蛋白與微生物表面、病原體液泡和內溶酶體膜的物理結合依賴于C末端結構域內的異戊烯化修飾，即異戊二烯類脂質對蛋白質的翻譯后修飾，可促進蛋白質與生物膜的錨定以及脂化的蛋白結合其他蛋白[14～16]。法尼酰基轉移酶和二牛龍牛氨基轉移酶I為兩種不同的異戊烯化轉移酶，兩者可以催化含有CaaX結構(“C”表示半胱氨酸，“a”表示脂肪族氨基酸，“X”表示任何氨基酸)的蛋白質，促進該蛋白與膜的結合。例如：人GBP1、GBP2和GBP5在C端具有CaaX結構，研究證明GBP1、GBP2和GBP5在體內發(fā)生了異戊烯化修飾，且這一過程對于三種蛋白進行膜結合是必須的[17]。GBP1與脂質膜的相互作用是復雜的過程，不僅由于這個過程依賴于GTP介導的異戊烯化修飾，還由于GBP1自體組裝和膜結合狀態(tài)之間的競爭關系[18]。與GDP或GMP結合的GBP1不能與脂質膜結合，只有與GTP結合時才出現(xiàn)與脂質膜的相互作用[19]。

圖1 人和小鼠的GBP家族成員與人GBP1蛋白的結構圖

A：人和小鼠的GBP家族成員；B：人GBP1蛋白的結構圖。根據(jù)文獻[16,20～22]修改繪制。

2 GBP家族的進化特征

GBP家族為多基因家族，其進化模式符合“生與滅(birth-and-death)”進化模式，即通過拷貝產(chǎn)生新的基因，一些重復的基因在基因組中保持了很長時間，而另一些基因由于有害突變而被刪除或失去功能[23]。例如，基因似乎只通過基因復制出現(xiàn)在猿類中，并獲得了調控caspase-4活化的新功能[24]。而基因似乎只存在于靈長類動物中，并且其可能源自基因復制[25]。此外，和基因在舊世界猴基因組中缺失，而同源基因的缺乏可以解釋這些靈長類動物對HIV-2的易感性，因為GBP5具有抑制HIV-2感染的作用[16,25]。

Li等[26]采用生物信息學的手段驗證GBP家族編碼基因在不同物種間的基因序列和基因保守性分析。結果顯示，在四足動物中發(fā)現(xiàn)了3～12個功能性GBP家族編碼基因和1～7個假基因，在斑馬魚()中發(fā)現(xiàn)了12個成員(包括4個假基因)，而在河鲀()中未發(fā)現(xiàn)GBP家族編碼基因的同源基因。在新真骨魚類(Neoteleostei)中，研究者在青鳉()和刺魚()的基因組中也觀察到GBP基因的丟失。盡管如此，來自同一物種的GBP基因在其基因組結構上表現(xiàn)出高度的保守性，并且GBP家族編碼基因結構在不同的脊椎動物譜系中也表現(xiàn)出一定的相似性，特別是編碼GTP結合域的區(qū)域[26]。因此，GBP家族的進化過程是復雜和動態(tài)的，研究GBP家族的進化過程也將為研究其成員功能提供重要線索。

3 GBP家族在病原體感染細胞的過程中促進炎癥小體活化

目前，已有研究描述了GBP家族在不同病原體感染過程中，參與了炎癥小體的激活和細胞焦亡(表1)。

3.1 炎癥小體的活化途徑

炎癥小體是一種由細胞內的PRRs參與組裝而成的多蛋白復合物，在宿主抵御感染、維護免疫穩(wěn)態(tài)中具有重要地位。炎癥小體主要由三部分構成：傳感器、接頭蛋白和效應器。傳感器主要是胞漿PPRs，例如核苷酸結合寡聚化結構域樣受體(nucleotide oligomerization domain (NOD)-like receptors，NLRs)家族的部分成員(如NLRPl、NLRP2、NLRP3等)和細胞質DNA傳感器黑色素瘤缺乏因子2 (absent in melanoma 2，AIM2)等；接頭蛋白為凋亡相關點樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC又稱為PYCARD)；而效應器為caspase-1[27,28]。ASC的N端與傳感器相連接，C端具有CARD結構域，可與效應器caspase-1相連接[29]。本文將以近期研究熱點——NLRP3炎癥小體為例，對炎癥小體活化的途徑進行闡述(圖2)。

目前，研究者認為NLRP3炎癥小體活化需要兩個階段：(1)啟動階段：由細胞因子(例如I型IFN)或PAMPs的激活所提供，PAMPs和PRRs (例如Toll樣受體(Toll-like receptors，TLR))之間的相互作用通過激活含TIR結構域的銜接分子1 (TIR domain containing adaptor molecule 1，TICAM1，TRIF)、誘導核因子κB (nuclear factor kappa-B，NF-κB)和干擾素調節(jié)因子3 (interferon regulatory factor 3，IRF3)信號傳導途徑級聯(lián)放大，導致NLRP3、caspase-1前體、caspase-11以及I型IFN等表達增多，這是隨后NLRP3炎癥小體激活所必需的。產(chǎn)生的I型IFN以自分泌方式與胞外受體結合，并上調caspase-11和GBP蛋白的表達；(2)激活階段：此階段分為經(jīng)典途徑和非經(jīng)典途徑。

在經(jīng)典途徑中，PAMPs或損傷相關分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs)中的任何一種作為刺激信號(如微粒和ATP)通過激活信號通路，導致K+外排、Ca2+內流和溶酶體破壞等過程并激活NLRP3，以及促進NLRP3炎癥小體的組裝和和活化[30]。NLRP3炎癥小體活化后，caspase-1前體在大(p20)和小(p10)催化亞基之間的接頭處通過自體蛋白水解切割，產(chǎn)生p33 (由CARD和p20組成)和p10。Caspase-1前體被切割后，成熟的caspase-1與ASC結合并且具有蛋白水解活性，水解IL-1家族的促炎細胞因子(如IL-1β和IL-18)前體以及焦孔素D (gasdermin D，GSDMD)前體，引起IL-1β和IL-18分泌以及細胞焦亡的發(fā)生[31]。

在非經(jīng)典途徑中，革蘭氏陰性菌的LPS通過細胞內吞作用直接進入胞內[32]，通過脂質A與小鼠caspase-11 (人caspase-4/5)的CARD結構域相互作用[33,34]，激活caspase-11，導致GSDMD前體水解以及細胞焦亡。同時，活化的caspase-11還可以通過非經(jīng)典途徑促進NLRP3炎癥小體活化，激活caspase-1，促進caspase-1下游的細胞因子分泌和細胞焦亡[35]。

表1 GBP家族成員在炎癥小體活化中的作用

盡管經(jīng)典和非經(jīng)典炎癥小體活化途徑在PRRs類型、激活配體和炎癥小體分子結構上存在差異，但它們共享下游的信號通路。炎癥小體活化后，可誘導細胞焦亡，caspase-11和caspase-1活性體能夠促進焦亡過程中關鍵執(zhí)行蛋白GSDMD的激活和N端裂解釋放。GSDMD的N端能夠在細胞膜上打孔并形成孔道，改變滲透壓，促進水分內流，引起細胞腫脹和細胞膜破裂，使促炎性細胞因子IL-1β和IL-18釋放到胞外[36,37]。

3.2 GBP1

GBP1是GBP家族中第一個被發(fā)現(xiàn)的成員，分子量大小約為65 kDa，在巨噬細胞、內皮細胞和上皮細胞中高表達。GBP1已被報道與單核細胞增生李斯特菌()、卡介苗(Bacille Calmette-Guérin，BCG)和弓形蟲()感染性疾病相關[38,39]。越來越多的研究證實GBP1在宿主抵御病原體感染中促進了炎癥小體經(jīng)典和非經(jīng)典途徑的活化。

3.2.1 GBP1促進經(jīng)典途徑炎癥小體活化

GBP1具有GTP水解酶活性，可以通過兩個連續(xù)的水解步驟將GTP水解為GMP。Xavier等[40]在對沙眼衣原體()的研究中發(fā)現(xiàn)：GBP1水解GTP后產(chǎn)生GMP，GMP被進一步分解代謝為尿酸，通過經(jīng)典途徑活化NLRP3炎癥小體，引起成熟的caspase-1水平升高，促進IL-1β分泌以及細胞焦亡的發(fā)生。為了探索GMP的生成對于活化NLRP3炎癥小體的必要性，研究者還構建了GBP1的G68A突變體(僅能水解GTP產(chǎn)生GDP，不能產(chǎn)生GMP)，發(fā)現(xiàn)GBP1突變后NLRP3炎癥小體的活化顯著下降，從而證明了GBP1水解GTP產(chǎn)生GMP是沙眼衣原體感染巨噬細胞過程中NLRP3炎癥小體活化的必要條件(圖3A)。

圖2 NLRP3炎癥小體活化途徑

啟動階段(左側)：PAMP或IFN作用于細胞后，通過激活TRIF誘導 NF-κB和IRF3信號轉導途徑級聯(lián)放大以及激活干擾素信號通路，導致炎癥小體相關基因，如：NLRP3、caspase-1前體和caspase-11前體以及I型干擾素的表達水平上調。激活階段(右側)：(1) 經(jīng)典NLRP3炎癥小體活化的過程：PAMPs、DAMPs、微粒、晶體和ATP等NLRP3活化胞外信號以及K+外排、Ca2+內流、溶酶體破壞、線粒體活性氧的產(chǎn)生、氧化線粒體DNA釋放以及CL-外排等NLRP3活化胞內信號介導的經(jīng)典NLRP3炎癥小體活化過程；(2) 非經(jīng)典NLRP3炎癥小體活化的過程：LPS被caspase-11/4/5前體蛋白識別后，導致caspase-11/4/5活化，而且caspase-11/4/5可以通過非經(jīng)典途徑活化NLRP3炎癥小體。經(jīng)典和非經(jīng)典的NLRP3炎癥小體通路激活后，都可以活化caspase-1，誘導IL-1β和IL-18的分泌以及切割GSDMD誘導細胞焦亡。根據(jù)文獻[30]修改繪制。

3.2.2 GBP1促進非經(jīng)典途徑炎癥小體活化

在眾多GBP家族成員中，研究者認為GBP1在非經(jīng)典途徑活化炎癥小體中發(fā)揮了關鍵作用。2020年，Wandel等[24]以及Santos等[41]在HeLa細胞中的研究分別指出：GBP1作為胞質內的PRR結合鼠傷寒沙門氏菌()外膜的LPS，招募GBP2、GBP3和GBP4在細菌表面形成一個信號平臺，進而招募caspase-4到此平臺，GBP1、GBP3、caspase-4和LPS通過相互作用，引起caspase-4介導的非經(jīng)典途徑炎癥小體活化、細胞焦亡以及IL-18分泌。其中，GBP1可能通過其GTPase結構域結合LPS的脂質A和/或內核，caspase-4的CARD與LPS的脂質A結合。以上研究均指出GBP1是第一個覆蓋鼠傷寒沙門氏菌表面的GBP，并導致GBP2、GBP3和GBP4的募集。因此，GBP1是引起革蘭氏陰性菌非經(jīng)典途徑炎癥小體活化的關鍵分子(圖3B)。

3.3 GBP2

GBP2分子量約為67 kDa，高表達于單核細胞、淋巴細胞、NK細胞等多種免疫細胞中。GBP2已被報道與弓形蟲、單核細胞增生李斯特菌、新兇手弗朗西斯菌()等感染性疾病相關[42,43]。在促進炎癥小體活化的研究中，GBP2除了上述提到的在鼠傷寒沙門氏菌感染中受GBP1招募組成信號平臺進而促進非經(jīng)典途徑炎癥小體活化外[24,41,44]，Meunier等[43]和Man等[45]的研究都表明GBP2在小鼠的巨噬細胞中可以促進經(jīng)典途徑AIM2炎癥小體活化，該基因敲除后AIM2炎癥小體活性明顯受到抑制，IL-1β、IL-18和LDH水平顯著降低，小鼠抵御感染的能力明顯下降。除此之外，Yang等[46]采用大腸桿菌()外膜囊泡(outer membrane vesicles，OMVs)感染小鼠巨噬細胞，發(fā)現(xiàn)敲除后，細胞caspase-1的活化和IL-1β的分泌顯著下降，提示GBP2促進了大腸桿菌OMVs通過經(jīng)典途徑活化炎癥小體。

圖3 GBP1通過經(jīng)典和非經(jīng)典途徑活化炎癥小體示意圖

A：GBP1水解GTP后產(chǎn)生GMP，GMP被進一步分解代謝為尿酸，通過經(jīng)典途徑活化NLRP3炎癥小體；B：GBP1識別鼠傷寒沙門氏菌表面LPS，招募GBP2、GBP3和GBP4，然后引起caspase-4介導的非經(jīng)典途徑炎癥小體活化。根據(jù)文獻[24,40,41]修改繪制。

3.4 GBP5

GBP5分子量約為66 kDa，高表達于單核細胞、巨噬細胞等單個核細胞。目前研究發(fā)現(xiàn)，GBP5在宿主抗病毒和細菌感染中發(fā)揮了重要作用，與HIV-1型病毒、弓形蟲、單核細胞增生李斯特菌和鼠傷寒沙門氏菌等感染性疾病相關[5,13,47]。在結核病中，Sweeney等[48]通過轉錄組學分析發(fā)現(xiàn)，與健康人群、結核潛伏感染人群和其他肺部疾病人群相比，266個基因轉錄水平在結核病患者中差異顯著，且由、(dual specificity phosphatase 3)和(Krüppel-like factor 2)基因組成的組合具有較好的結核病診斷效力。Costa等[49]和Satproedprai等[50]也發(fā)現(xiàn)基因的表達水平在結核病患者和其他患者之間存在顯著差異。盡管如此，GBP5參與宿主抵抗結核分枝桿菌感染的具體機制尚不清楚。此外，多項研究指出GBP5在不同細菌感染中可以通過經(jīng)典和非經(jīng)典途徑活化炎癥小體。

3.4.1 GBP5促進經(jīng)典途徑炎癥小體活化

Shenoy等[13]發(fā)現(xiàn)在LPS或鼠傷寒沙門氏菌等刺激下，GBP5可以促進巨噬細胞中NLRP3-ASC炎癥小體的組裝。其中，GBP5和NLRP3的pyrin結構域(pyrin domain，PYD)之間的相互作用促進ASC聚合，而基因敲除后小鼠的IL-1β、IL-18以及caspase-1水平顯著下降。此外，Meunier等[43]發(fā)現(xiàn)GBP5是感染小鼠巨噬細胞中重要的AIM2炎癥小體激活劑，并促進胞漿細菌溶解，而基因敲除小鼠在該菌感染后，AIM2炎癥小體活性明顯受到抑制，IL-1β、IL-18水平顯著下降。Man等[45]在對于感染小鼠巨噬細胞的研究中，也得到了GBP5促進AIM2炎癥小體活化的一致結果，并且發(fā)現(xiàn)：在野生型小鼠巨噬細胞中GBP5被募集并包裹，限制在胞內復制，促進細胞殺傷，而基因敲除小鼠以上功能均明顯下降。

3.4.2 GBP5促進非經(jīng)典途徑炎癥小體活化

Cerqueira等[51]在對布魯氏桿菌()的研究中發(fā)現(xiàn)：位于小鼠3號染色體的GBP家族成員(GBP1、GBP2、GBP3、GBP5和GBP7)參與caspase-11對LPS的識別，促進后續(xù)的caspase-11和GSDMD介導的非經(jīng)典途徑炎癥小體活化。在此基礎上，他們通過siRNA敲低技術進一步確定了GBP5是上述家族成員中促進caspase-11對LPS識別的關鍵分子，可顯著影響IL-1β的分泌和LDH的釋放。

由此可見，當病原體入侵機體時，GBP家族在參與炎癥小體激活和誘導細胞焦亡中發(fā)揮了重要的作用。

4 GBP家族在不同病原體感染過程中的調控作用

GBP家族在不同類型的病原體感染中通過多種調控機制影響疾病的發(fā)生和發(fā)展，現(xiàn)將主要的調控機制在表2中進行總結。

在細菌感染中，GBP家族主要通過調控炎癥小體活化和細胞吞噬發(fā)揮作用：在嗜肺軍團菌()、鼠傷寒沙門氏菌、福氏志賀菌()、新兇手弗朗西斯菌、單核細胞增生性李斯特單胞菌、布魯氏桿菌等細菌入侵細胞后，GBP蛋白通過促進炎癥小體活化，進而增強宿主的免疫應答；在BCG感染中，mGBP1和mGBP10，通過將吞噬細胞氧化酶或抗菌肽傳遞到含有BCG的吞噬體中，對胞內菌起到殺傷作用。

表2 GBP蛋白在不同病原體感染中的調控機制

在病毒感染中，GBP蛋白通過抑制SARS-CoV-2病毒刺突蛋白的裂解或者干擾HIV-1病毒Env的加工和病毒粒子摻入來減弱病毒的感染性。

在其他病原體感染中，例如弓形蟲和沙眼衣原體感染中，GBP蛋白通過靶向弓形蟲納蟲泡，抑制弓形蟲增殖，或在沙眼衣原體感染細胞中通過經(jīng)典途徑活化NLRP3炎癥小體引發(fā)感染細胞的焦亡。

由此可見，在不同類型的病原體感染中，GBP蛋白通過不同的途徑在宿主細胞內發(fā)揮著抵抗病原體感染的作用。

5 結語與展望

GBP家族在病原體感染宿主后，通過經(jīng)典和/或非經(jīng)典途徑激活炎癥小體，進而在導致細胞焦亡的過程中發(fā)揮著重要作用。此外，GBP蛋白可以通過不同的作用途徑抑制病原體增殖，如破壞吞噬體膜、將吞噬細胞氧化酶傳遞到含有病原體的液泡膜等。盡管如此，對GBP蛋白靶向含病原體的液泡膜的作用，以及GBP蛋白激活炎癥小體具體機制的研究還存在許多尚未解決的問題。例如：調節(jié)GBP蛋白與膜結構相結合的具體機制是什么；除了干擾素誘導GBP蛋白表達，是否存在其他調節(jié)GBP蛋白的表達水平和活性的因素；不同類型的干擾素對GBP蛋白發(fā)揮作用是否具有不同的調節(jié)能力；影響GBP蛋白翻譯后修飾的具體機制及翻譯后修飾對GBP蛋白發(fā)揮功能起到的影響等。對這些問題的探討將有助于深入了解GBP蛋白在宿主防御過程中的生物學功能。

[1] Kutsch M, Coers J. Human guanylate binding proteins: nanomachines orchestrating host defense., 2021, 288(20): 5826–5849.

[2] Macmicking JD. IFN-inducible GTPases and immunity to intracellular pathogens., 2004, 25(11): 601–609.

[3] Martens S, Howard J. The interferon-inducible GTPases., 2006, 22: 559–589.

[4] Man SM, Place DE, Kuriakose T, Kanneganti TD. Interferon-inducible guanylate-binding proteins at the interface of cell-autonomous immunity and inflammasome activation., 2017, 101(1): 143–150.

[5] Krapp C, Hotter D, Gawanbacht A, Mclaren PJ, Kluge SF, Stürzel CM, Mack K, Reith E, Engelhart S, Ciuffi A, Hornung V, Sauter D, Telenti A, Kirchhoff F. Guanylate binding protein (GBP) 5 is an interferon-inducible inhibitor of HIV-1 infectivity., 2016, 19(4): 504–514.

[6] Kim BH, Chee JD, Bradfield CJ, Park ES, Kumar P, Macmicking JD. Interferon-induced guanylate-binding proteins in inflammasome activation and host defense., 2016, 17(5): 481–489.

[7] Randow F, Macmicking JD, James LC. Cellular self-defense: how cell-autonomous immunity protects against pathogens., 2013, 340(6133): 701–706.

[8] Hagar JA, Powell DA, Aachoui Y, Ernst RK, Miao EA. Cytoplasmic LPS activates caspase-11: implications in TLR4-independent endotoxic shock., 2013, 341(6151): 1250–1253.

[9] Praefcke GJK. Regulation of innate immune functions by guanylate-binding proteins., 2018, 308(1): 237–245.

[10] Schwemmle M, Staeheli P. The interferon-induced 67-kDa guanylate-binding protein (hGBP1) is a GTPase that converts GTP to GMP., 1994, 269(15): 11299–11305.

[11] Ghosh A, Praefcke GJK, Renault L, Wittinghofer A, Herrmann C. How guanylate-binding proteins achieve assembly-stimulated processive cleavage of GTP to GMP., 2006, 440(7080): 101–104.

[12] Cui W, Braun E, Wang W, Tang JH, Zheng YY, Slater B, Li N, Chen C, Liu QX, Wang B, Li X, Duan YK, Xiao YJ, Ti RJ, Hotter D, Ji XY, Zhang L, Cui J, Xiong Y, Sauter D, Wang ZF, Kirchhoff F, Yang HT. Structural basis for GTP-induced dimerization and antiviral function of guanylate-binding proteins., 2021, 118(15): e2022269118.

[13] Shenoy AR, Wellington DA, Kumar P, Kassa H, Booth CJ, Cresswell P, Macmicking JD. GBP5 promotes NLRP3 inflammasome assembly and immunity in mammals., 2012, 336(6080): 481–485.

[14] Resh MD. Trafficking and signaling by fatty-acylated and prenylated proteins., 2006, 2(11): 584–590.

[15] Konstantinopoulos PA, Karamouzis MV, Papavassiliou AG. Post-translational modifications and regulation of the RAS superfamily of GTPases as anticancer targets., 2007, 6(7): 541–555.

[16] Tretina K, Park E S, Maminska A, Macmicking J D. Interferon-induced guanylate-binding proteins: guardians of host defense in health and disease., 2019, 216(3): 482–500.

[17] Britzen-Laurent N, Bauer M, Berton V, Fischer N, Syguda A, Reipschl?ger S, Naschberger E, Herrmann C, Stürzl M. Intracellular trafficking of guanylate-binding proteins is regulated by heterodimerization in a hierarchical manner., 2010, 5(12): e14246.

[18] Honkala AT, Tailor D, Malhotra SV. Guanylate-binding protein 1: an emerging target in inflammation and cancer., 2019, 10: 3139.

[19] Syguda A, Bauer M, Benscheid U, Ostler N, Naschberger E, Ince S, Sturzl M, Herrmann C. Tetramerization of human guanylate-binding protein 1 is mediated by coiled-coil formation of the C-terminal alpha-helices., 2012, 279(14): 2544–2554.

[20] Olszewski MA, Gray J, Vestal DJ. In silico genomic analysis of the human and murine guanylate-binding protein (GBP) gene clusters., 2006, 26(5): 328–352.

[21] Kresse A, Konermann C, Degrandi D, Beuter-Gunia C, Wuerthner J, Pfeffer K, Beer S. Analyses of murine GBP homology clusters based on in silico, in vitro and in vivo studies., 2008, 9: 158.

[22] EMBL-EBI. https://www.ebi.ac.uk/pdbe/pdbe-kb/proteins/ P32455/structures.

[23] Nei M, Gu X, Sitnikova T. Evolution by the birth- and-death process in multigene families of the vertebrate immune system., 1997, 94(15): 7799–7806.

[24] Wandel MP, Kim BH, Park ES, Boyle KB, Nayak K, Lagrange B, Herod A, Henry T, Zilbauer M, Rohde J, Macmicking JD, Randow F. Guanylate-binding proteins convert cytosolic bacteria into caspase-4 signaling platforms., 2020, 21(8): 880–891.

[25] Corte-Real J V, Baldauf H M, Abrantes J, Esteves P J. Evolution of the guanylate binding protein (GBP) genes: emergence of GBP7 genes in primates and further acquisition of a unique GBP3 gene in simians., 2021, 132: 79–81.

[26] Li G, Zhang JY, Sun Y, Wang H, Wang YQ. The evolutionarily dynamic IFN-inducible GTPase proteins play conserved immune functions in vertebrates and cephalochordates., 2009, 26(7): 1619–1630.

[27] Agostini L, Martinon F, Burns K, Mcdermott MF, Hawkins PN, Tschopp J. NALP3 forms an IL-1beta- processing inflammasome with increased activity in Muckle-Wells autoinflammatory disorder., 2004, 20(3): 319–325.

[28] Lugrin J, Martinon F. The AIM2 inflammasome: sensor of pathogens and cellular perturbations., 2018, 281(1): 99–114.

[29] Cai X, Chen JQ, Xu H, Liu SQ, Jiang QX, Halfmann R, Chen ZJJ. Prion-like polymerization underlies signal transduction in antiviral immune defense and inflammasome activation., 2014, 156(6): 1207–1222.

[30] Swanson KV, Deng M, Ting JPY. The NLRP3 inflammasome: molecular activation and regulation to therapeutics., 2019, 19(8): 477–489.

[31] Sharma D, Kanneganti TD. The cell biology of inflammasomes: mechanisms of inflammasome activation and regulation., 2016, 213(6): 617–629.

[32] Yi YS. Dual roles of the caspase-11 non-canonical inflammasome in inflammatory bowel disease., 2022, 108: 108739.

[33] Yi YS. Caspase-11 non-canonical inflammasome: a critical sensor of intracellular lipopolysaccharide in macrophage- mediated inflammatory responses., 2017, 152(2): 207–217.

[34] Shi JJ, Zhao Y, Wang YP, Gao WQ, Ding JJ, Li P, Hu LY, Shao F. Inflammatory caspases are innate immune receptors for intracellular LPS., 2014, 514(7521): 187–192.

[35] Yi YS. Functional crosstalk between non-canonical caspase-11 and canonical NLRP3 inflammasomes during infection-mediated inflammation., 2020, 159(2): 142–155.

[36] Kayagaki N, Stowe IB, Lee BL, O'Rourke K, Anderson K, Warming S, Cuellar T, Haley B, Roose-Girma M, Phung QT, Liu PS, Lill JR, Li H, Wu JS, Kummerfeld S, Zhang J, Lee WP, Snipas SJ, Salvesen GS, Morris LX, Fitzgerald L, Zhang YF, Bertram EM, Goodnow CC, Dixit VM. Caspase-11 cleaves gasdermin D for non-canonical inflam-masome signalling., 2015, 526(7575): 666– 671.

[37] Shi JJ, Zhao Y, Wang K, Shi XY, Wang Y, Huang HW, Zhuang YH, Cai T, Wang FC, Shao F. Cleavage of GSDMD by inflammatory caspases determines pyroptotic cell death., 2015, 526(7575): 660–665.

[38] Kim BH, Shenoy AR, Kumar P, Das R, Tiwari S, Macmicking J D. A family of IFN-gamma-inducible 65-kD GTPases protects against bacterial infection., 2011, 332(6030): 717–721.

[39] Selleck EM, Fentress SJ, Beatty WL, Degrandi D, Pfeffer K, Virgin HW 4th, Macmicking JD, Sibley LD. Guanylate-binding protein 1 (Gbp1) contributes to cell-autonomous immunity against Toxoplasma gondii., 2013, 9(4): e1003320.

[40] Xavier A, Al-Zeer MA, Meyer TF, Daumke O. hGBP1 coordinates Chlamydia restriction and inflammasome activation through sequential GTP hydrolysis., 2020, 31(7): 107667.

[41] Santos JC, Boucher D, Schneider LK, Demarco B, Dilucca M, Shkarina K, Heilig R, Chen KW, Lim RYH, Broz P. Human GBP1 binds LPS to initiate assembly of a caspase-4 activating platform on cytosolic bacteria., 2020, 11(1): 3276.

[42] Degrandi D, Kravets E, Konermann C, Beuter-Gunia C, Klümpers V, Lahme S, Rasch E, Mausberg AK, Beer- Hammer S, Pfeffer K. Murine guanylate binding protein 2 (mGBP2) controls Toxoplasma gondii replication., 2013, 110(1): 294–299.

[43] Meunier E, Wallet P, Dreier RF, Costanzo S, Anton L, Rühl S, Dussurgey S, Dick MS, Kistner A, Rigard M, Degrandi D, Pfeffer K, Yamamoto M, Henry T, Broz P. Guanylate-binding proteins promote activation of the AIM2 inflammasome during infection with Francisella novicida., 2015, 16(5): 476–484.

[44] Feng SY, Man SM. Captain GBP1: inflammasomes assemble, pyroptotic endgame., 2020, 21(8): 829–830.

[45] Man SM, Karki R, Malireddi RK, Neale G, Vogel P, Yamamoto M, Lamkanfi M, Kanneganti TD. The transcription factor IRF1 and guanylate-binding proteins target activation of the AIM2 inflammasome by Francisella infection., 2015, 16(5): 467–475.

[46] Yang JM, Hwang I, Lee E, Shin SJ, Lee EJ, Rhee JH, Yu JW. Bacterial outer membrane vesicle-mediated cytosolic delivery of Flagellin triggers host NLRC4 canonical inflammasome signaling., 2020, 11: 581165.

[47] Virreira WS, Niedelman W, Jensen KD, Rosowski EE, Julien L, Spooner E, Caradonna K, Burleigh BA, Saeij JPJ, Ploegh HL, Frickel EM. Determinants of GBP recruitment to Toxoplasma gondii vacuoles and the parasitic factors that control it., 2011, 6(9): e24434.

[48] Sweeney TE, Braviak L, Tato CM, Khatri P. Genome-wide expression for diagnosis of pulmonary tuberculosis: a multicohort analysis., 2016, 4(3): 213–224.

[49] Costa LLD, Delcroix M, Dalla Costa ER, Prestes IV, Milano M, Francis SS, Unis G, Silva DR, Riley LW, Rossetti ML. A real-time PCR signature to discri-minate between tuberculosis and other pulmonary diseases., 2015, 95(4): 421–425.

[50] Satproedprai N, Wichukchinda N, Suphankong S, Inun-chot W, Kuntima T, Kumpeerasart S, Wattanapokayakit S, Nedsuwan S, Yanai H, Higuchi K, Harada N, Mahasirimongkol S. Diagnostic value of blood gene expression signatures in active tuberculosis in Thais: a pilot study., 2015, 16(4): 253–260.

[51] Cerqueira DM, Gomes MTR, Silva ALN, Rungue M, Assis NRG, Guimaraes ES, Morais SB, Broz P, Zamboni DS, Oliveira SC. Guanylate-binding protein 5 licenses caspase-11 for Gasdermin-D mediated host resistance to Brucella abortus infection., 2018, 14(12): e1007519.

[52] Liu BCY, Sarhan J, Panda A, Muendlein HI, Ilyukha V, Coers J, Yamamoto M, Isberg RR, Poltorak A. Constitutive interferon maintains GBP expression required for release of bacterial components upstream of pyroptosis and anti-DNA responses., 2018, 24(1): 155-168.

[53] Fisch D, Bando H, Clough B, Hornung V, Yamamoto M, Shenoy AR, Frickel EM. Human GBP1 is a microbe- specific gatekeeper of macrophage apoptosis and pyroptosis., 2019, 38(13): e100926.

[54] Dickinson MS, Kutsch M, Sistemich L, Hernandez D, Piro AS, Needham D, Lesser CF, Herrmann C, Coers J. LPS-aggregating proteins GBP1 and GBP2 are each sufficient to enhance caspase-4 activation both in cellulo and in vitro., 2023, 120(15): e2078939176.

[55] Wandel MP, Pathe C, Werner EI, Ellison CJ, Boyle KB, von der Malsburg A, Rohde J, Randow F. GBPs inhibit motility of Shigella flexneri but are targeted for degradation by the bacterial ubiquitin Ligase IpaH9.8., 2017, 22(4): 507–518.

[56] Mesner D, Reuschl AK, Whelan MVX, Bronzovich T, Haider T, Thorne LG, Ragazzini R, Bonfanti P, Towers GJ, Jolly C. SARS-CoV-2 evolution influences GBP and IFITM sensitivity., 2023, 120(5): e2082390176.

Advances in the regulation of inflammasome activation by GBP family in infectious diseases

Shuting Quan1, Weiwei Jiao1,2, Fang Xu3,2, Lin Sun1,2, Hui Qi1,2, Adong Shen1,2

Guanylate-binding proteins (GBPs) are a subfamily of interferon-inducible proteins that undertake distinct roles in the the context of bacteria, virus, chlamydia and parasites infections. These proteins exert a notable influence on the progression and outcomes of infectious diseases. Within the realm of host cell-autonomous immunity against pathogens, GBPs have been identified as the regulators of pyroptosis through canonical and noncanonical inflammasome activation pathways. In this review, we summarize the structure and evolution of GBP family members, the canonical and noncanonical inflammasomeactivation pathways, the roles of GBPs in regulating inflammasome activation, and the mechanisms of GBPs affecting infections induced by different pathogens. We hope to provide new basic research clues for the pathogenesis and diagnosis and treatment of infectious diseases.

guanylate-binding proteins; infectious disease; inflammasome; canonical inflammasome activation; noncanonical inflammasome activation

2023-06-15;

2023-08-22;

2023-09-14

國家自然科學基金項目(編號：81871617，81701971，82172280，82100010)、中國科學院病原微生物與免疫學重點實驗室開放課題(編號：CASPMI202201)、保定市科技計劃(編號：2272P012)和北京市衛(wèi)生健康委員會高層次公共衛(wèi)生技術人才培養(yǎng)計劃(編號：2022-3-041)資助[Supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 81871617, 81701971, 82172280, 82100010), the CAS Key Laboratory of Pathogenic Microbiology and Immunology Open Project (No. CASPMI202201), Baoding Science and Technology Plan (No. 2272P012), and the Training Plan for High-Level Public Health Technical Talents of Beijing Municipal Health Commission (No. 2022-3-041)]

全舒婷，博士研究生，專業(yè)方向：兒內科。E-mail: qst137@163.com

焦偉偉，博士，研究員，研究方向：呼吸感染疾病病原研究。E-mail: jiaowei310@163.com

全舒婷和焦偉偉并列第一作者。

綦輝，博士，研究員，研究方向：病原與宿主細胞相互作用。E-mail: qh20021983@163.com

申阿東，碩士，研究員，研究方向：呼吸感染疾病診療及發(fā)病機制研究。E-mail: shenad16@hotmail.com

10.16288/j.yczz.23-119

(責任編委: 謝建平)