「铲屎官」注意了！剑桥大学揭示这些基因的改变或让猫猫狗狗成为

丁香学术2021-09-08

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导读

2002 年，Tschopp 研究团队首次提出炎症小体（Inflammasome）的概念，此后炎症小体成为炎症疾病和免疫学领域的热门研究对象。十几年来，关于炎症小体的研究论文如雨后春笋层出不穷。

先天免疫系统中，病原体入侵免疫细胞，进而启动机体炎症防御反应，最终发挥抗感染作用。炎症小体作为抵抗感染和肿瘤发生的关键机器，是一种相对较大的多聚体蛋白复合物，主要由传感器 NLRs（Nod-like receptors）、衔接蛋白 ASC（Apoptosis-associated speck-like protein）和蛋白酶 caspase 效应器三种组分构成，存在于抵御病原体的先天免疫细胞中。

人畜共患病是由人畜共患病病原体引起的，其在跨越物种感染人类之前存在于动物宿主中。一些人畜共患病在全球范围内传播，造成大流行病，如 SARS、MERS；而有些则是间隔一段时间会从动物宿主身上以变异的形式重新出现，如流感、鼠疫等。

人畜共患病对人类的健康状况和经济发展都产生了重大影响。肉食动物包括貂、狗和猫，是人畜共患病病原体的最大携带者，但宿主免疫基因的多样性如何影响病原体的携带尚不清楚。

近日，英国剑桥大学 Clare E. Bryant 教授团队在知名学术期刊 Cell Reports 发表了一篇题为 Evolutionary loss of inflammasomes in the Carnivora and implications for the carriage of zoonotic infections 的文章。

该研究对肉食动物炎症小体 caspase-1/-4、NLRP3 活性功能展开探索，阐释了其对消皮素孔道形成和细胞焦亡等重要事件的影响，对于探究引起人畜共患病病原体的致病机制具有重要的参考意义。

图片来源：Cell Reports

主要研究内容

犬细胞中 caspase-1/-4 融合蛋白的活性相对较低

相比于人类和小鼠，猫犬等肉食动物的炎症小体效应器即 caspase 家族蛋白存在较大差异。其中，caspase-1/-4 融合蛋白是肉食动物独有的 caspase 蛋白，能够切割消皮素 D（Gasdermin D），但对 IL-1β 和 IL-18 的作用较弱。

首先，为了观察肉食动物中炎症小体的作用，研究者使用鼠伤寒沙门菌作为炎症小体的刺激因素，分别感染小鼠中永生化的骨髓来源的巨噬细胞 iBMDM 和犬的巨噬样细胞 DH82。结果表明小鼠巨噬细胞感染 2 小时后开始裂解，而犬的巨噬样细胞经过 12 小时仍存活，表明犬的细胞对于鼠伤寒沙门菌的耐受性更高。

接着，研究者在小鼠模型上通过 CRISPR-Cas9 技术构建了与 caspase-1/-4 融合蛋白催化作用相当的重组蛋白。小鼠细胞在脂多糖（LPS）刺激下很快裂解，而犬的巨噬样细胞对于 LPS 的刺激则无反应。进一步的体外实验表明，caspase-1/-4 融合蛋白能激活 IL-1β 并且同时切割消皮素 D。

图片来源：Cell Reports

肉食动物的炎症小体 NLRP3 功能受损

传感器 NLRs 的差异性在一定程度上解释了肉食动物对于感染反应较弱的原因，比如肉食动物无 AIM2 基因，犬的 NAIP/NLRC4 基因功能非常弱。

为了探究肉食动物 NLRP3 的活性，研究者使用不同浓度的 NLRP3 激活剂 Nigericin 刺激小鼠细胞和犬的巨噬样细胞。结果表明低浓度 Nigericin 能够使小鼠巨噬细胞发生炎症小体激活导致的裂解，但对犬的巨噬样细胞无作用；高浓度 Nigericin 则能够使犬的巨噬样细胞发生由炎症小体激活引起的细胞裂解及 IL-1β 的激活，说明 NLRP3 在肉食动物中活性降低。

基于上述研究结果，研究者进一步探究了其他影响肉食动物炎症小体反应性的因素。利用 CRISPR-Cas9 技术敲除 caspase-8 蛋白，发现其能够显著影响犬的巨噬样细胞对于鼠伤寒沙门菌的反应性。

图片来源：Cell Reports

炎症小体激活促进消皮素 D 蛋白孔道的形成

对于肉食动物，炎症小体的刺激因素虽然使消皮素 D 被激活从而形成孔道，但在一定程度上损伤了细胞裂解死亡途径。

由于缺乏直接观察消皮素 D 的抗体，研究者巧妙地利用碘化丙啶摄入的方法来观察细胞的焦亡途径。结果表明鼠伤寒沙门菌能使人和小鼠细胞迅速焦亡，而使犬细胞炎症小体的焦亡明显减少。与之契合的是，Nigericin 处理组得到相同结论，说明鼠伤寒沙门菌和 Nigericin 均能促进消皮素 D 孔道形成，同时不会引起细胞焦亡。

有趣的是，消皮素 E 是一种能响应 caspase-3 激活而导致细胞焦亡的蛋白。基于此现象，研究者推测高浓度的 Nigericin 导致的犬的巨噬样细胞部分凋亡可能是由消皮素 E 所介导的。

图片来源：Cell Reports

结语

综上所述，该研究描述了肉食动物中对肠道健康至关重要的三个关键基因被发现已经失去了功能。这包括 NLRP3 的功能受损、caspase-1/-4 融合蛋白的活性降低，以及 caspase-8 不能有效地处理 IL-1β。

肉食动物中炎症小体下调，对病原体的感知和应对能力降低，这使得它们很可能成为致病病原体的无症状携带者。

图片来源：Cell Reports

本文通讯作者 Clare E. Bryant 教授说：「我们发现食肉动物中缺少了一整组炎症基因——我们根本没想到会这样。我们认为，缺乏这些功能基因有助于病原体隐藏在食肉动物中未被发现，从而有可能发生变异并传播成为人类健康风险。」

此外，本文重点研究的 NLRP3 炎症小体是一类监测机体稳态的大分子聚合物，能够对化学组成、结构性质和来源不同的庞杂的激动剂产生反应，感知环境、病原和内源应激等刺激及参与炎症反应，这决定了其在炎症小体研究中「脱颖而出」的必然性，至今仍是学界重点关注的明星分子。

炎症小体组分异常激活与导致衰老、癌症和退行性疾病发展的慢性炎症相关。近年来，靶向炎症小体的药物如 canakinumab，rilonacept 和 anakinra 等走进公众视野。深入阐明炎症小体信号通路及其调控机制，对于研发针对人畜共患病的治疗方法具有重要的参考意义。

题图来源：站酷海洛

参考文献：

1. Digby, Zsofi et al.Evolutionary loss of inflammasomes in the Carnivora and implications for the carriage of zoonotic infections. Cell Reports.(2021). DOI:10.1016/j.celrep.2021.109614

2. Li, Y., Huang, H., Liu, B. et al. Inflammasomes as therapeutic targets in human diseases. Sig Transduct Target Ther 6, 247 (2021). https://doi.org/10.1038/s41392-021-00650-z