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(jié)合蛋白家族在感染性疾病中調(diào)控炎癥小體活化的研究進(jìn)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(xué)中心，首都醫(yī)科大學(xué)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(xué)研究中心，兒科學(xué)國家重點(diǎn)學(xué)科，兒科重大疾病研究教育部重點(diǎn)實驗室，兒童呼吸道感染性疾病研究北京市重點(diǎn)實驗室， 北京 100045 2. 首都醫(yī)科大學(xué)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(zhǔn)診治重點(diǎn)實驗室，保定 071000 3. 國家兒童醫(yī)學(xué)中心，首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京兒童醫(yī)院，北京市兒科研究所，兒科學(xué)國家重點(diǎn)學(xué)科，兒科重大疾病研究教育部重點(diǎn)實驗室，出生缺陷遺傳學(xué)研究北京市重點(diǎn)實驗室，遺傳與出生缺陷防治中心，北京 100045

鳥苷酸結(jié)合蛋白(guanylate-binding proteins，GBP)是一類干擾素誘導(dǎo)蛋白，在應(yīng)對細(xì)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(jié)局。目前，研究者發(fā)現(xiàn)在細(xì)菌等病原體感染引發(fā)的細(xì)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(diào)控細(xì)胞焦亡。本文對GBP家族成員結(jié)構(gòu)、進(jìn)化特征以及炎癥小體的經(jīng)典和非經(jīng)典活化途徑進(jìn)行了介紹，綜述了GBP蛋白調(diào)控炎癥小體活化的相關(guān)研究進(jìn)展，歸納總結(jié)了GBP蛋白影響不同病原體感染的作用機(jī)制，以期為感染性疾病的發(fā)病機(jī)制和診療提供新的基礎(chǔ)研究線索。

鳥苷酸結(jié)合蛋白；感染性疾?。谎装Y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(jié)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(dá)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(dǎo)[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(guān)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(xì)胞內(nèi)廣泛分布，在單核巨噬細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞和NK細(xì)胞中多有表達(dá)[4,5]。GBP家族成員在宿主抵御細(xì)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(jié)局[4,5]。其中，GBP家族成員在宿主抵御細(xì)菌等病原體感染的細(xì)胞自主免疫應(yīng)答中，通過調(diào)控炎癥小體活化而影響細(xì)胞焦亡，引起了研究者的廣泛關(guān)注[6]。

除了經(jīng)典的固有免疫應(yīng)答和適應(yīng)性免疫應(yīng)答外，脊椎動物等多細(xì)胞動物還利用細(xì)胞內(nèi)的防御系統(tǒng)來識別胞內(nèi)病原體，限制病原體的復(fù)制，甚至以細(xì)胞自主的方式殺死病原體。以上這些細(xì)胞自衛(wèi)反應(yīng)被稱為細(xì)胞自主免疫應(yīng)答，普遍存在于免疫細(xì)胞和非免疫細(xì)胞中，其反應(yīng)的激活依賴于細(xì)胞對病原體的識別[7]。細(xì)胞通過模式識別受體(pattern recognition receptor，PRR)識別病原體相關(guān)分子模式(pathogen- associated molecular patterns，PAMP)，激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，分泌多種促炎細(xì)胞因子，可直接殺傷病原體、增強(qiáng)其他固有免疫細(xì)胞殺死病原體，同時通過抗原提呈活化適應(yīng)性免疫應(yīng)答細(xì)胞[7]。在細(xì)胞自主免疫中，IFN誘導(dǎo)產(chǎn)生大量GBP家族蛋白，參與了宿主細(xì)胞內(nèi)囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)、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(jìn)炎癥小體經(jīng)典和非經(jīng)典途徑的活化，使促炎細(xì)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(xì)胞死亡，即細(xì)胞焦亡[8]，阻止病原體在宿主體內(nèi)的擴(kuò)散。近年來，GBP家族成員在激活炎癥小體促進(jìn)細(xì)胞焦亡方面的作用引發(fā)了越來越多學(xué)者的關(guān)注。本文將對GBP家族成員結(jié)構(gòu)、進(jìn)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(diào)控炎癥小體活化等方面的研究進(jìn)展展開綜述。

1 GBP家族的蛋白結(jié)構(gòu)

人和鼠的GBP蛋白結(jié)構(gòu)相似，主要包括三個部分：N端的球狀GTPase結(jié)合域(也稱LG結(jié)構(gòu)域)、中間結(jié)構(gòu)域和C端α螺旋GTPase效應(yīng)域[9](圖 1B)。GBP蛋白能夠與鳥嘌呤三核苷酸磷酸(guanosine triphosphate，GTP)結(jié)合，并在兩者結(jié)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(jié)合的hGBP5能夠形成封閉的面對面二聚體結(jié)構(gòu)，這種封閉構(gòu)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(guān)重要[12]。此外，GBP蛋白的N端GTPase結(jié)構(gòu)域能夠與核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)域(caspase activation and recruitment domain，CARD)結(jié)合，促進(jìn)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(nèi)溶酶體膜的物理結(jié)合依賴于C末端結(jié)構(gòu)域內(nèi)的異戊烯化修飾，即異戊二烯類脂質(zhì)對蛋白質(zhì)的翻譯后修飾，可促進(jìn)蛋白質(zhì)與生物膜的錨定以及脂化的蛋白結(jié)合其他蛋白[14～16]。法尼酰基轉(zhuǎn)移酶和二牛龍牛氨基轉(zhuǎn)移酶I為兩種不同的異戊烯化轉(zhuǎn)移酶，兩者可以催化含有CaaX結(jié)構(gòu)(“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(zhì)，促進(jìn)該蛋白與膜的結(jié)合。例如：人GBP1、GBP2和GBP5在C端具有CaaX結(jié)構(gòu)，研究證明GBP1、GBP2和GBP5在體內(nèi)發(fā)生了異戊烯化修飾，且這一過程對于三種蛋白進(jìn)行膜結(jié)合是必須的[17]。GBP1與脂質(zhì)膜的相互作用是復(fù)雜的過程，不僅由于這個過程依賴于GTP介導(dǎo)的異戊烯化修飾，還由于GBP1自體組裝和膜結(jié)合狀態(tài)之間的競爭關(guān)系[18]。與GDP或GMP結(jié)合的GBP1不能與脂質(zhì)膜結(jié)合，只有與GTP結(jié)合時才出現(xiàn)與脂質(zhì)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(jié)構(gòu)圖

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

2 GBP家族的進(jìn)化特征

GBP家族為多基因家族，其進(jìn)化模式符合“生與滅(birth-and-death)”進(jìn)化模式，即通過拷貝產(chǎn)生新的基因，一些重復(fù)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(fù)制出現(xiàn)在猿類中，并獲得了調(diào)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(fù)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(xué)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(jié)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(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出高度的保守性，并且GBP家族編碼基因結(jié)構(gòu)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(jié)合域的區(qū)域[26]。因此，GBP家族的進(jìn)化過程是復(fù)雜和動態(tài)的，研究GBP家族的進(jìn)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(xì)胞的過程中促進(jìn)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(xì)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(xì)胞內(nèi)的PRRs參與組裝而成的多蛋白復(fù)合物，在宿主抵御感染、維護(hù)免疫穩(wěn)態(tài)中具有重要地位。炎癥小體主要由三部分構(gòu)成：傳感器、接頭蛋白和效應(yīng)器。傳感器主要是胞漿PPRs，例如核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)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(xì)胞質(zhì)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(guān)點(diǎn)樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC又稱為PYCARD)；而效應(yīng)器為caspase-1[27,28]。ASC的N端與傳感器相連接，C端具有CARD結(jié)構(gòu)域，可與效應(yīng)器caspase-1相連接[29]。本文將以近期研究熱點(diǎn)——NLRP3炎癥小體為例，對炎癥小體活化的途徑進(jìn)行闡述(圖2)。

目前，研究者認(rèn)為NLRP3炎癥小體活化需要兩個階段：(1)啟動階段：由細(xì)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(jié)構(gòu)域的銜接分子1 (TIR domain containing adaptor molecule 1，TICAM1，TRIF)、誘導(dǎo)核因子κB (nuclear factor kappa-B，NF-κB)和干擾素調(diào)節(jié)因子3 (interferon regulatory factor 3，IRF3)信號傳導(dǎo)途徑級聯(lián)放大，導(dǎo)致NLRP3、caspase-1前體、caspase-11以及I型IFN等表達(dá)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(jié)合，并上調(diào)caspase-11和GBP蛋白的表達(dá)；(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(guān)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(dǎo)致K+外排、Ca2+內(nèi)流和溶酶體破壞等過程并激活NLRP3，以及促進(jìn)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(jié)合并且具有蛋白水解活性，水解IL-1家族的促炎細(xì)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(xì)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(xì)胞內(nèi)吞作用直接進(jìn)入胞內(nèi)[32]，通過脂質(zhì)A與小鼠caspase-11 (人caspase-4/5)的CARD結(jié)構(gòu)域相互作用[33,34]，激活caspase-11，導(dǎo)致GSDMD前體水解以及細(xì)胞焦亡。同時，活化的caspase-11還可以通過非經(jīng)典途徑促進(jìn)NLRP3炎癥小體活化，激活caspase-1，促進(jìn)caspase-1下游的細(xì)胞因子分泌和細(xì)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(jié)構(gòu)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(dǎo)細(xì)胞焦亡，caspase-11和caspase-1活性體能夠促進(jìn)焦亡過程中關(guān)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(xì)胞膜上打孔并形成孔道，改變滲透壓，促進(jìn)水分內(nèi)流，引起細(xì)胞腫脹和細(xì)胞膜破裂，使促炎性細(xì)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(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和上皮細(xì)胞中高表達(dá)。GBP1已被報道與單核細(xì)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(guān)[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(jìn)了炎癥小體經(jīng)典和非經(jīng)典途徑的活化。

3.2.1 GBP1促進(jìn)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(jìn)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(jìn)IL-1β分泌以及細(xì)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(gòu)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(xì)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(cè))：PAMP或IFN作用于細(xì)胞后，通過激活TRIF誘導(dǎo) NF-κB和IRF3信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑級聯(lián)放大以及激活干擾素信號通路，導(dǎo)致炎癥小體相關(guān)基因，如：NLRP3、caspase-1前體和caspase-11前體以及I型干擾素的表達(dá)水平上調(diào)。激活階段(右側(cè))：(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(nèi)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(nèi)信號介導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)IL-1β和IL-18的分泌以及切割GSDMD誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡。根據(jù)文獻(xiàn)[30]修改繪制。

3.2.2 GBP1促進(jìn)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(rèn)為GBP1在非經(jīng)典途徑活化炎癥小體中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。2020年，Wandel等[24]以及Santos等[41]在HeLa細(xì)胞中的研究分別指出：GBP1作為胞質(zhì)內(nèi)的PRR結(jié)合鼠傷寒沙門氏菌()外膜的LPS，招募GBP2、GBP3和GBP4在細(xì)菌表面形成一個信號平臺，進(jìn)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(dǎo)的非經(jīng)典途徑炎癥小體活化、細(xì)胞焦亡以及IL-18分泌。其中，GBP1可能通過其GTPase結(jié)構(gòu)域結(jié)合LPS的脂質(zhì)A和/或內(nèi)核，caspase-4的CARD與LPS的脂質(zhì)A結(jié)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(dǎo)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(guān)鍵分子(圖3B)。

3.3 GBP2

GBP2分子量約為67 kDa，高表達(dá)于單核細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、NK細(xì)胞等多種免疫細(xì)胞中。GBP2已被報道與弓形蟲、單核細(xì)胞增生李斯特菌、新兇手弗朗西斯菌()等感染性疾病相關(guān)[42,43]。在促進(jìn)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(jìn)而促進(jìn)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(xì)胞中可以促進(jìn)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(xì)胞，發(fā)現(xiàn)敲除后，細(xì)胞caspase-1的活化和IL-1β的分泌顯著下降，提示GBP2促進(jìn)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(jìn)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(dǎo)的非經(jīng)典途徑炎癥小體活化。根據(jù)文獻(xiàn)[24,40,41]修改繪制。

3.4 GBP5

GBP5分子量約為66 kDa，高表達(dá)于單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等單個核細(xì)胞。目前研究發(fā)現(xiàn)，GBP5在宿主抗病毒和細(xì)菌感染中發(fā)揮了重要作用，與HIV-1型病毒、弓形蟲、單核細(xì)胞增生李斯特菌和鼠傷寒沙門氏菌等感染性疾病相關(guān)[5,13,47]。在結(jié)核病中，Sweeney等[48]通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，與健康人群、結(jié)核潛伏感染人群和其他肺部疾病人群相比，266個基因轉(zhuǎn)錄水平在結(jié)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(jié)核病診斷效力。Costa等[49]和Satproedprai等[50]也發(fā)現(xiàn)基因的表達(dá)水平在結(jié)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(jié)核分枝桿菌感染的具體機(jī)制尚不清楚。此外，多項研究指出GBP5在不同細(xì)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(jìn)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(jìn)巨噬細(xì)胞中NLRP3-ASC炎癥小體的組裝。其中，GBP5和NLRP3的pyrin結(jié)構(gòu)域(pyrin domain，PYD)之間的相互作用促進(jìn)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(xì)胞中重要的AIM2炎癥小體激活劑，并促進(jìn)胞漿細(xì)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(xì)胞的研究中，也得到了GBP5促進(jìn)AIM2炎癥小體活化的一致結(jié)果，并且發(fā)現(xiàn)：在野生型小鼠巨噬細(xì)胞中GBP5被募集并包裹，限制在胞內(nèi)復(fù)制，促進(jìn)細(xì)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(jìn)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(jìn)后續(xù)的caspase-11和GSDMD介導(dǎo)的非經(jīng)典途徑炎癥小體活化。在此基礎(chǔ)上，他們通過siRNA敲低技術(shù)進(jìn)一步確定了GBP5是上述家族成員中促進(jìn)caspase-11對LPS識別的關(guān)鍵分子，可顯著影響IL-1β的分泌和LDH的釋放。

由此可見，當(dāng)病原體入侵機(jī)體時，GBP家族在參與炎癥小體激活和誘導(dǎo)細(xì)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(diào)控作用

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

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

表2 GBP蛋白在不同病原體感染中的調(diào)控機(jī)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(xì)胞中通過經(jīng)典途徑活化NLRP3炎癥小體引發(fā)感染細(xì)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(xì)胞內(nèi)發(fā)揮著抵抗病原體感染的作用。

5 結(jié)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(jìn)而在導(dǎo)致細(xì)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(xì)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(jī)制的研究還存在許多尚未解決的問題。例如：調(diào)節(jié)GBP蛋白與膜結(jié)構(gòu)相結(jié)合的具體機(jī)制是什么；除了干擾素誘導(dǎo)GBP蛋白表達(dá)，是否存在其他調(diào)節(jié)GBP蛋白的表達(dá)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(diào)節(jié)能力；影響GBP蛋白翻譯后修飾的具體機(jī)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(xué)功能。

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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(xué)基金項目(編號：81871617，81701971，82172280，82100010)、中國科學(xué)院病原微生物與免疫學(xué)重點(diǎn)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(shù)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(nèi)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(xì)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(jī)制研究。E-mail: shenad16@hotmail.com

10.16288/j.yczz.23-119

(責(zé)任編委: 謝建平)