NLR (nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor) family protein들은 선천 면역 반응의 조절에 관여합니다.
이 protein들은 cytosol 내의 PAMPs (pathogen-associated molecular patterns) 뿐만 아니라 DAMPs (damage-associated molecular patterns)로 알려진 host-derived signal들을 감지합니다.
특정 NLR들은 caspase-1을 활성화하는 거대 복합체인 Inflammasomes의 조립을 유도합니다 [1,2].
Autoproteolytic maturation을 통한 caspase-1의 활성화는 전염증성 cytokine인 interleukin-1β (IL-1β)와 IL-18의 processing 및 분비로 이어집니다. 지금까지 4개의 inflammasome이 확인되었으며, 이들이 포함하는 NLR protein에 따라 정의되었습니다. 구체적으로는 NLRP1/NALP1b inflammasome [3], NLRC4/IPAF inflammasome [4,5], NLRP3/NALP3 inflammasome [6], 그리고 AIM2 (absent in melanoma 2) 함유 inflammasome [7,8]입니다.
IL-1β 및 IL-18
IL-1β와 IL-18은 감염, 염증 및 자가면역 과정과 관련된 광범위한 생물학적 효과를 유발과 연관된 cytokine들입니다.
IL-1β는 발열을 유도하고, lymphocyte를 활성화하며, 감염 또는 부상 부위에서 leukocyte infiltration을 촉진함으로써 감염 및 부상에 대한 전신 및 국소 반응 생성에 관여합니다. IL-18은 IFN-γ 생성을 유도하고 T-helper 1 (Th1) cell polarization에 기여합니다.
Caspase-1에 의한 절단을 통한 IL-1β와 IL-18의 성숙은 면역 반응을 유도하기 위한 전제 조건입니다. Caspase-1 자체는 비활성 상태인 45 kDa zymogen (pro-caspase-1)으로 합성되며, 적절한 자극 후에 autocatalytic processing을 거칩니다. 이 효소의 활성 형태는 p20 및 p10 subunit으로 구성됩니다 [9]. Caspase-1은 NLR과 caspase-1 사이를 연결하는 이분법적 adapter protein인 ASC (apoptosis-associated speck-like protein containing a carboxy-terminal CARD)와의 상호작용을 통해 inflammasome multiprotein complex 내에서 활성화됩니다 [10].
현재 학계에서는 IL-1β의 활성화와 방출에 두 가지의 구별되는 신호가 필요하다는 점이 일반적으로 받아들여지고 있습니다. 실제 in vivo 감염이나 염증 상황에서 이러한 신호들이 정확히 어떠한 성격인지는 아직 완전히 규명되지 않았습니다. 그러나 in vitro 연구들에 따르면, Signal 1은 Toll-like receptor (TLR) 활성화에 따른 다양한 PAMPs에 의해 유발되어 pro-IL-1β의 합성을 유도하는 것으로 나타났습니다.
Signal 2는 inflammasome과 caspase-1의 활성화를 통해 제공되며, 이는 최종적으로 IL-1β processing으로 이어집니다. 이처럼 IL-1β의 성숙에 두 번째 신호가 반드시 필요한 이유는, 병원체 감염이나 조직 손상과 같은 확실한 자극 (Bona fide)이 있을 때만 강력한 염증 반응이 일어나도록 보장하는 일종의 fail-safe mechanism으로 작용하기 때문일 수 있습니다.
NLRP1 Inflammasome
NLRP1은 caspase-1, caspase-5, ASC, 그리고 triphosphate ribonucleotide와 함께 다분자 복합체인 inflammasome을 조립합니다 [1,2,10].
NLRP1은 자신의 pyrin (PYD) domain을 통해 ASC와 직접 결합하며, CARD domain을 통해서는 caspase-1과 직접 결합합니다. NLRP1 inflammasome의 활성은 muramyl dipeptide (MDP)와 anthrax lethal toxin (마우스의 경우 NLRP1b)에 의해 유도됩니다 [3]. 연구들에 따르면, in vitro 상에서 MDP와 anthrax lethal toxin 모두를 감지하기 위해서는 NOD2가 필요한 것으로 나타났습니다.
NLRP1 inflammasome의 활성화는 apoptotic pathway와 긴밀하게 연결되어 있습니다. 휴지 상태에서 anti-apoptotic protein인 Bcl-2와 Bcl-X(L)는 NLRP1에 결합하여 caspase-1 활성화와 IL-1β 분비를 억제하는 역할을 합니다.
여러 NLRP1 gene 변이는 자가면역 질환 및 백반증의 발병 위험 증가와 연관이 있는 것으로 밝혀졌습니다. 그러나 면역 반응에서 NLRP1 inflammasome이 수행하는 정확한 역할에 대해서는 여전히 밝혀져야 할 부분이 많습니다.
NLRC4 Inflammasome
NLRC4 (IPAF)는 현재까지 inflammasome을 조립하는 것으로 확인된 유일한 NLRC family 멤버입니다 [2,4,5].
NLRC4는 별도의 adapter protein 없이도 자신의 CARD domain을 이용해 pro-caspase-1과 직접 결합할 수 있지만, 강력한 수준의 IL-1β 분비를 위해서는 ASC와의 상호작용이 수반되어야 합니다.
NLRC4의 oligomerization은 Salmonella typhimurium, Legionella pneumophila, Shigella flexneri, Pseudomonas aeruginosa 등 다양한 박테리아 유래의 cytosolic flagellin이나, 박테리아 분비 시스템(type III 또는 type IV)을 통해 전달되는 자극들에 의해 유발됩니다.
또 다른 NLR family 멤버인 NAIP5 역시 특정 상황에서 ligand 인식 과정에 관여하는 것으로 보입니다 [11].
Flagellin은 TLR5와 NLRC4 inflammasome 모두를 자극하는 독특한 성질의 ligand입니다 [12]. 따라서 flagellin은 독자적으로 cytokine 생산 신호를 보내는 동시에 caspase-1을 통한 성숙 과정까지 이끌어낼 가능성이 매우 높습니다.
NLRP3 Inflammasome
Inflammasome 중에서도 NLRP3 inflammasome은 가장 광범위하게 연구된 대상입니다.
Macrophage에서의 활성화는 cell이 ATP에 노출된다는 전제하에, liposaccharide, peptidoglycan, 박테리아 핵산과 같은 다양한 PAMPs 자극을 통해 이루어질 수 있습니다. 실제로 ATP가 없는 상태에서 LPS 자극을 받은 macrophage는 다량의 pro-IL-1β를 합성하기는 하지만, 성숙한 cytokine을 방출하는 양은 극히 적습니다. ATP를 비롯해 nigericin, maitotoxin 같은 특정 박테리아 독소들은 intracellular ion 조성에 변화를 일으켜 NLRP3 inflammasome의 활성화를 유도합니다. ATP의 작용은 purinergic P2X7 receptor 및 pannexin에 의해 매개되며, 이는 활성화 시 cytosol로부터 급격한 potassium efflux를 발생시킵니다 [13].
Monosodium urate (MSU) Crystal과 calcium phosphate dihydrate (CPPD) 또한 NLRP3 의존적인 방식으로 caspase-1을 활성화하는 것으로 알려져 있습니다 [14]. 관절 내에 이러한 MSU 및 CPPD 결정이 쌓이는 현상은 각각 통풍과 가성 통풍의 원인이 되는데, 이는 해당 질환들의 발병 기전에 NLRP3가 깊이 관여하고 있음을 시사합니다. 또한 요산은 괴사된 cell로부터 extracellular milieu로 방출되기도 하는데, 이는 내인성 위험 신호를 감지하는 데 있어 NLRP3가 핵심적인 역할을 수행함을 암시합니다.
crystalline silica와 asbestos 역시 NLRP3 inflammasome을 활성화하는 것으로 확인되었으며, 이는 규폐증 및 석면폐증의 발병 기전과 관련이 있습니다 [15-17].
Aluminium salt (Alum)의 경우에도 LPS와 같은 PAMPs가 존재할 때 NLRP3 inflammasome을 활성화할 수 있습니다 [17-19].
Crystal의 phagocytosis는 lysosomal swelling 및 손상을 초래하며, 이러한 lysosomal perturbation과 함께 lysosomal cysteine protease인 cathepsin B가 방출되면서 결과적으로 NLRP3 inflammasome이 활성화됩니다 [17].
AIM2 Inflammasome
Cytoplasmic DNA 수용체인 AIM2 (absent in melanoma 2)는 자신의 ligand 및 ASC와 결합하여 inflammasome을 형성하고 caspase-1을 활성화합니다 [20-22].
AIM2는 interferon-inducible HIN-200 family의 일원으로, amino-terminal pyrin domain과 carboxy-terminal oligonucleotide/oligosaccharide-binding domain을 구조적으로 갖추고 있습니다.
AIM2는 자신의 binding domain을 통해 cytoplasmic double-stranded DNA를 감지하며, pyrin domain을 통해 ASC와 상호작용하여 caspase-1을 활성화합니다. 이러한 상호작용은 ASC pyroptosome의 형성으로도 이어져, caspase-1을 함유한 cell에서 pyroptotic cell death를 유도하게 됩니다.
결과적으로 AIM2는 cytoplasmic DNA에 반응하여 일어나는 inflammasome 활성화 과정에 있어 필수적이면서도 충분한 요소입니다.
inflammasome은 선천 면역 체계에서 중추적인 역할을 담당합니다. 이들은 박테리아 구성 성분부터 위험 신호('danger signals'), 그리고 잠재적으로 위협이 될 수 있는 cytoplasmic DNA를 감지하고 그에 반응합니다. 이러한 활성화 기전에 대한 보다 깊은 이해는 인체 방어 시스템과 자가면역 질환의 병인을 규명하는 데 있어 새로운 통찰력을 제공해 줄 것입니다.
Inflammasome related prudcts
IL-1β/IL-18 Sensor Cells
| Product | Description | Qty | Cat no. |
| HEK-Blue™ IL-1β Cells | HEK 293 reporter cells for human and murine IL-1β cytokines | 3-7 x 10e6 cells | hkb-il1b |
| HEK-Blue™ IL-18 cells | Human & Mouse IL-18 Reporter Cells | 3-7 x 10e6 cells | hkb-hmil18 |
| HEK-Blue™ IL-1R cells | HEK 293 reporter cells for human and murine IL-1α & IL-1β cytokines | 3-7 x 10e6 cells | hkb-il1r |
Inflammasome Test Cells
| Product | Description | Qty | Cat no. |
| KO/KD/OE cells |
| THP1-KO-NLRP3 cells | NLRP3 Knockout in THP-1 cells (human monocytes) | 3-7 x 10e6 cells | thp-konlrp3z |
| THP1-defNLRP3 cells | NLRP3 Knockdown in THP-1 cells (human monocytes) | 3-7 x 10e6 cells | thp-dnlp |
| THP1-KO-ASC cells | ASC Knockout in THP-1 cells (human monocytes) | 3-7 x 10e6 cells | thp-koascz |
| THP1-defASC cells | ASC Knockdown in THP-1 cells (human monocytes) | 3-7 x 10e6 cells | thp-dasc |
| THP1-KO-CASP4 cells | CASP4 Knockout in THP-1 cells (human monocytes) | 3-7 x 10e6 cells | thp-kocasp4z |
| | NLRC4 Knockout in THP-1 cells (human monocytes) |
| 3-7 x 10e6 cells | |
| THP1-KO-GSDMD cells | GSDMD Knockout in THP-1 cells (human monocytes) | 3-7 x 10e6 cells | thp-kogsdmdz |
| RAW-ASC KO-GSDMD cells | GSDMD Knockout & ASC expressing RAW 264.7 cells (murine macrophages) | 3-7 x 10e6 cells | raw-kogsdmd |
| RAW-ASC KO-CASP11 cells | Caspase-11 Knockout & ASC expressing RAW 264.7 cells (murine macrophages) | 3-7 x 10e6 cells | raw-kocasp11 |
| RAW-ASC KO-NLRC4 cells | NLRC4 Knockout & ASC expressing RAW 264.7 cells (murine macrophages) | 3-7 x 10e6 cells | raw-konlrc4 |
| THP1-defCASP1 cells | Human THP-1 Monocytes - caspase-1 deficient | 3-7 x 10e6 cells | thp-dcasp1 |
| THP1-NLRC4 Cells | NLRC4 inflammasome test cell line | 3-7 x 10e6 cells | thp-nlrc4 |
| Reporter cells |
| THP1-ASC-GFP cells | Human THP-1 Monocytes - ASC speck reporter cells | 3-7 x 10e6 cells | thp-ascgfp |
| THP1-HMGB1-Lucia™ Cells | Pyroptosis and necroptosis reporter monocytes | 3-7 x 10e6 cells | thp-gb1lc |
| Parental cells |
| THP1-Null Cells | Positive control cell line for inflammasome studies | 3-7 x 10e6 cells | thp-null |
| THP1-Null2 Cells | Positive control cell line for inflammasome studies | 3-7 x 10e6 cells | thp-nullz |
| RAW-ASC cells | ASC expressing RAW 264.7 cells (murine macrophages) | 3-7 x 10e6 cells | raw-asc |
NLRC4 Reporter Assay
| Product | Description | Qty | Cat no. |
| THP1-NLRC4 Cells | NLRC4 inflammasome test cell line | 3-7 x 10e6 cells | thp-nlrc4 |
| HEK-Blue™ KD-TLR5 cells | TLR5 deficient - IL1-β SEAP reporter HEK293 cells | 3-7 x 10e6 cells | hkb-kdtlr5 |
Inflammasome Inhibitors
| Product | Description | Qty | Cat no. |
| NLRP3 inflammasome inhibitor |
| MCC950 | NLRP3 inflammasome inhibitor | 10 mg | inh-mcc |
| Glybenclamide | NLRP3 inflammasome inhibitor - Proton pump inhibitor | 1 g | tlrl-gly |
| Caspase inhibitors |
| Ac-YVAD-cmk | Caspase-1 inhibitor | 5 mg | inh-yvad |
| VX-765 | Caspase-1 and Caspase-4 inhibitor | 10 mg | inh-vx765i-1 |
| 50 mg | inh-vx765i-5 |
| Z-VAD-FMK | Caspase inhibitor | 1 mg | tlrl-vad |
| Multi-target inhibitors |
| BAY 11-7082 | IκB-α inhibitor - NLRP3 inflammasome inhibitor | 10 mg | tlrl-b82 |
| Isoliquiritigenin | IκB-α inhibitor - NLRP3 inflammasome inhibitor | 10 mg | inh-ilg |
| Parthenolide | Caspase-1 and inflammasome inhibitor | 50 mg | inh-ptd |
Inflammasome Genes
| Product | Description | Qty | Cat no. |
| pUNO1-hASCa | pUNO1 bearing the human ASC gene, isoform 1 (long) | 20 µg | puno1-hasca |
| pUNO1-hASC-DN | pUNO1 bearing a dominant negative version of the human ASC gene | 20 µg | puno1-hasc-dn |
| pUNO1-mASC | pUNO1 bearing the mouse ASC gene | 20 µg | puno1-masc |
| pUNO1-mASC-DN | pUNO1 bearing a dominant negative version of the mouse ASC gene | 20 µg | puno1-masc-dn |
| pSELECT-hASC-GFP | hASC::GFP fusion gene | 20 µg | psetz-hascgfp |
| pSELECT-mASC-GFP | mASC::GFP fusion gene | 20 µg | psetz-mascgfp |
| pUNO1-hCASP1a | pUNO1 bearing the human CASP1 gene, isoform alpha | 20 µg | puno1-hcasp1 |
| pUNO1-mCASP1 | pUNO1 bearing the mouse CASP1 gene | 20 µg | puno1-mcasp1 |
| pUNO1-hGSDMA | pUNO1 bearing the human GSDMA gene | 20 µg | puno1-hgsdma |
| pUNO1-mGSDMA | pUNO1 bearing the mouse GSDMA gene | 20 µg | puno1-mgsdma |
| pUNO1-hGSDMBc | pUNO1 bearing the human GSDMB gene, isoform 3 (GenBank) / 4 (UniProt) | 20 µg | puno1-hgsdmb |
| pUNO1-hGSDMC | pUNO1 bearing the human GSDMC gene | 20 µg | puno1-hgsdmc |
| pUNO1-hGSDMD | pUNO1 bearing the human GSDMD gene | 20 µg | puno1-hgsdmd |
| pUNO1-hGSDMD-Flag3x | pUNO1 bearing the human GSDMD::Flag3x gene | 20 µg | |
| pUNO1-mGSDMD | pUNO1 bearing the mouse GSDMD gene | 20 µg | puno1-mgsdmd |
| pUNO1-hGSDMEa | pUNO1 bearing the human GSDME gene, isoform 1 | 20 µg | puno1-hgsdme |
| pUNO1-mGSDME | pUNO1 bearing the mouse GSDME gene | 20 µg | puno1-mgsdme |
| pUNO1-mPJVK | pUNO1 bearing the mouse GSDMF (PJVK) gene | 20 µg | puno1-mgsdmf |
| pUNO1-hHMGB1 | pUNO1 bearing the human HMGB1 gene | 20 µg | puno1-hhmgb1 |
| pUNO1-hHMGB1(s) | pUNO1 bearing a modified (secretable) human HMGB1 gene | 20 µg | puno1-hhmgb1-s |
| pUNO1-mHMGB1 | pUNO1 bearing the mouse HMGB1 gene | 20 µg | puno1-mhmgb1 |
| pSELECT-hHMGB1-Lucia | hHMGB1::Lucia fusion gene | 20 µg | psetz-hhmgbluc |
| pSELECT-mHMGB1-Lucia | mHMGB1::Lucia fusion gene | 20 µg | psetz-mhmgbluc |
| pUNO1-hCARD12 | pUNO1 bearing the human NLRC4 (CARD12) gene | 20 µg | puno1-hcard12 |
| pUNO1-hNALP3a | pUNO1 bearing the human NALP3 (NLRC3) gene, isoform 1 | 20 µg | puno1-hnalp3 |
| pUNO1-mNALP3 | pUNO1 bearing the mouse NALP3 (NLRP3) gene | 20 µg | puno1-mnalp3 |
| pUNO1-mNALP3-HA3x | pUNO1 bearing the mouse NALP3-HA (NLRP3-HA) gene | 20 µg | puno1ha-mnalp3 |
Inflammasome Inducers
| Product | Description | Qty | Cat no. |
| Canonical Inflammasome Inducers - NLRP3 Inflammasome |
| Alum | Aluminium hydroxide; NLRP3 inflammasome inducer | 500 µl | tlrl-aloh |
| ATP | Adenosine 5'-triphosphate disodium salt | 1 g | tlrl-atpl |
| CPPD Crystals | Calcium pyrophosphate dihydrate crystals | 5 mg | tlrl-cppd |
| Hemozoin | Synthetic heme crystal | 5 mg | tlrl-hz |
| MSU Crystals | Monosodium Urate Crystals | 5 mg | tlrl-msu |
| 25 mg | tlrl-msu-25 |
| Nano-SiO2 | SiO2 nanoparticles; NLRP3 inflammasome inducer | 20 mg (2 x 10 mg) | tlrl-sio-2 |
| Nigericin | Nigericin, sodium salt | 10 mg | tlrl-nig |
| 50 mg | tlrl-nig-5 |
| TDB | Mincle Agonist - Synthetic analog of the cord factor | 2 mg | tlrl-tdb |
| Canonical Inflammasome Inducers - AIM2 Inflammasome |
| Poly(dA:dT) Naked | dsDNA naked | 200 µg | tlrl-patn |
| 1 mg | tlrl-patn-1 |
| Poly(dA:dT)/LyoVec™ | dsDNA naked - complexed with transfection reagent | 100 µg | tlrl-patc |
| Poly(dA:dT) Rhodamine | dsDNA rhodamine labeled | 10 µg | tlrl-patrh |
| Canonical Inflammasome Inducers - NLRC4 Inflammasome |
| FLA-PA Ultrapure | TLR5 Agonist - Flagellin from P. aeruginosa | 50 µg | tlrl-pafla |
| FLA-ST Ultrapure | Ultrapure flagellin from S. typhimurium | 50 µg | tlrl-epstfla-5 |
| 10 µg | tlrl-epstfla |
| FLA-ST | Standard flagellin from S. typhimurium | 100 µg | tlrl-stfla |
| LFn-Needle | T3SS Needle protein fused to Lethal Factor - NLRC4 agonist | 5 µg | tlrl-ndl |
| LFn-Rod | T3SS Inner Rod protein fused to Lethal Factor - NLRC4 agonist | 50 µg | tlrl-rod
|
| Canonical Inflammasome Inducers - NLRP1 Inflammasome |
| L18-MDP | MDP with a C18 fatty acid chain | 1 mg | tlrl-lmdp |
| MDP | Muramyldipeptide (L-D isoform, active) | 5 mg | tlrl-mdp |
| Non-canonical Inflammasome Inducers |
| E. coli OMVs | Escherichia coli outer membrane vesicles (OMVs) | 100 µg | tlrl-omv-1 |
| E. coli OMVs InvivoFit™ | InvivoFit™ Escherichia coli outer membrane vesicles (OMVs) | 500 µg | tlrl-omv |
| Curdlan | Beta-1,3-glucan from Alcaligenes faecalis | 1 g | tlrl-curd |
| HKCA | Heat-killed C. albicans | 10e9 cells | tlrl-hkca |
| Pustulan | Dectin-1 Agonist - Beta-glucan from Lasallia pustulata | 100 mg | tlrl-pst |
| Zymosan Depleted | Hot alkali treated zymosan | 10 mg | tlrl-zyd |
Inflammasome Primers
| Product | Description | Qty | Cat no. |
| LPS-EB | Standard LPS, E. coli 0111:B4 | 5 mg | tlrl-eblps |
| LPS-EB Ultrapure | Ultrapure LPS, E. coli 0111:B4 | 5 x 10e6 EU | tlrl-3pelps |
| Pam3CSK4 | Synthetic triacylated lipopeptide; TLR2/TLR1 agonist | 1 mg | tlrl-pms |
| Poly(I:C) HMW | Long synthetic analog of dsRNA | 10 mg | tlrl-pic |
| 50 mg | tlrl-pic-5 |
References
1. Schroder K. & Tschopp J., 2010. The inflammasomes. Cell 140(6):821-32.
2. Franchi L. et al., 2012. Sensing and reacting to microbes through the inflammasomes. Nat Immunol 13(4)325-32.
3. Boyden ED & Dietrich WF., 2006. Nalp1b controls mouse macrophage susceptibility to anthrax lethal toxin. Nat Genet. 38(2):240-4.
4. Miao EA. et al., 2006. Cytoplasmic flagellin activates caspase-1 and secretion of interleukin 1beta via Ipaf. Nat Immunol. 7(6):569-75.
5. Zhao Y. et al., 2011. The NLRC4 inflammasome receptors for bacterial flagellin and type III secretion apparatus. Nature. 477(7366): 596-600.
6. Martinon F. et al., 2006. Gout-associated uric acid crystals activate the NALP3 inflammasome. Nature. 440(7081):237-41.
7. Hornung V. et al., 2009. AIM2 recognizes cytosolic dsDNA and forms a caspase-1-activating inflammasome with ASC. Nature. 458(7237):514-8.
8. Fernandes-Alnemri T. et al., 2009. AIM2 activates the inflammasome and cell death in response to cytoplasmic DNA. Nature. 458(7237):509-13.
9. Mariathasan S & Monack DM., 2007. Inflammasome adaptors and sensors: intracellular regulators of infection and inflammation. Nat Rev Immunol. 7(1):31-40.
10. Martinon F, & Tschopp J., 2004. Inflammatory caspases: linking an intracellular innate immune system to autoinflammatory diseases. Cell. 117(5):561-74.
10. Davies B. et al., 2011.The inflammasome NLRs in immunity, inflammation, and associated diseases. Annu Rev Immunol 23(29)707-35.
11. Kofoed EM. & Vance RE., 2011. Innate immune recognition of bacterial ligands by NAILPs determines inflammasome specificity. Nature. 477(7366):592-5.
12. Kupz A., et al., 2012. NLRC4 inflammasomes in dendritic cells regulate noncognate effector function by memory CD8+ T cells. Nat Immunol. 13(2):162-9.
13. Pelegrin P, & Surprenant A., 2007. Pannexin-1 couples to maitotoxin- and nigericin-induced interleukin-1beta release through a dye uptake-independent pathway. J Biol Chem. 282(4):2386-94.
14. Kanneganti TD, et al., 2007. Pannexin-1-mediated recognition of bacterial molecules activates the cryopyrin inflammasome independent of Toll-like receptor signaling. Immunity. 26(4):433-43.
15. Martinon F. et al., 2006. Gout-associated uric acid crystals activate the NALP3 inflammasome. Nature. 440(7081):237-41.
16. Dostert C. et al., 2008. Innate immune activation through Nalp3 inflammasome sensing of asbestos and silica. Science. 320(5876):674-7.
17. Cassel SL. et al., 2008. The Nalp3 inflammasome is essential for the development of silicosis. Proc Natl Acad Sci U S A. 105(26):9035-40.
18. Hornung V. et al., 2008. Silica crystals and aluminum salts activate the NALP3 inflammasome through phagosomal destabilization. Nat Immunol. 9(8):847-56.
19. Eisenbarth SC. et al., 2008. Crucial role for the Nalp3 inflammasome in the immunostimulatory properties of aluminium adjuvants. Nature. 453(7198):1122-6.
20. Li H. et al., 2008. Cutting edge: inflammasome activation by alum and alum's adjuvant effect are mediated by NLRP3. J Immunol. 181(1):17-21.
21. Hornung V. et al., 2009. AIM2 recognizes cytosolic dsDNA and forms a caspase-1-activating inflammasome with ASC. Nature. 458(7237):514-8.
22. Fernandes-Alnemri T. et al., 2009. AIM2 activates the inflammasome and cell death in response to cytoplasmic DNA. Nature.458(7237):509-13.
23. Bürckstümmer T. et al., 2009. An orthogonal proteomic-genomic screen identifies AIM2 as a cytoplasmic DNA sensor for the inflammasome. Nat Immunol. 10(3):266-72.
#invivogen #다윈바이오 #Inflammasome #NLR #NLRP1 #NLRC4 #NLRP3 #AIM2
[학술문의] T. 031-728-3236 E. technical@dawinbio.com
NLR (nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor) family protein들은 선천 면역 반응의 조절에 관여합니다.
이 protein들은 cytosol 내의 PAMPs (pathogen-associated molecular patterns) 뿐만 아니라 DAMPs (damage-associated molecular patterns)로 알려진 host-derived signal들을 감지합니다.
특정 NLR들은 caspase-1을 활성화하는 거대 복합체인 Inflammasomes의 조립을 유도합니다 [1,2].
Autoproteolytic maturation을 통한 caspase-1의 활성화는 전염증성 cytokine인 interleukin-1β (IL-1β)와 IL-18의 processing 및 분비로 이어집니다. 지금까지 4개의 inflammasome이 확인되었으며, 이들이 포함하는 NLR protein에 따라 정의되었습니다. 구체적으로는 NLRP1/NALP1b inflammasome [3], NLRC4/IPAF inflammasome [4,5], NLRP3/NALP3 inflammasome [6], 그리고 AIM2 (absent in melanoma 2) 함유 inflammasome [7,8]입니다.
IL-1β 및 IL-18
IL-1β와 IL-18은 감염, 염증 및 자가면역 과정과 관련된 광범위한 생물학적 효과를 유발과 연관된 cytokine들입니다.
IL-1β는 발열을 유도하고, lymphocyte를 활성화하며, 감염 또는 부상 부위에서 leukocyte infiltration을 촉진함으로써 감염 및 부상에 대한 전신 및 국소 반응 생성에 관여합니다. IL-18은 IFN-γ 생성을 유도하고 T-helper 1 (Th1) cell polarization에 기여합니다.
Caspase-1에 의한 절단을 통한 IL-1β와 IL-18의 성숙은 면역 반응을 유도하기 위한 전제 조건입니다. Caspase-1 자체는 비활성 상태인 45 kDa zymogen (pro-caspase-1)으로 합성되며, 적절한 자극 후에 autocatalytic processing을 거칩니다. 이 효소의 활성 형태는 p20 및 p10 subunit으로 구성됩니다 [9]. Caspase-1은 NLR과 caspase-1 사이를 연결하는 이분법적 adapter protein인 ASC (apoptosis-associated speck-like protein containing a carboxy-terminal CARD)와의 상호작용을 통해 inflammasome multiprotein complex 내에서 활성화됩니다 [10].
현재 학계에서는 IL-1β의 활성화와 방출에 두 가지의 구별되는 신호가 필요하다는 점이 일반적으로 받아들여지고 있습니다. 실제 in vivo 감염이나 염증 상황에서 이러한 신호들이 정확히 어떠한 성격인지는 아직 완전히 규명되지 않았습니다. 그러나 in vitro 연구들에 따르면, Signal 1은 Toll-like receptor (TLR) 활성화에 따른 다양한 PAMPs에 의해 유발되어 pro-IL-1β의 합성을 유도하는 것으로 나타났습니다.
Signal 2는 inflammasome과 caspase-1의 활성화를 통해 제공되며, 이는 최종적으로 IL-1β processing으로 이어집니다. 이처럼 IL-1β의 성숙에 두 번째 신호가 반드시 필요한 이유는, 병원체 감염이나 조직 손상과 같은 확실한 자극 (Bona fide)이 있을 때만 강력한 염증 반응이 일어나도록 보장하는 일종의 fail-safe mechanism으로 작용하기 때문일 수 있습니다.
NLRP1 Inflammasome
NLRP1은 caspase-1, caspase-5, ASC, 그리고 triphosphate ribonucleotide와 함께 다분자 복합체인 inflammasome을 조립합니다 [1,2,10].
NLRP1은 자신의 pyrin (PYD) domain을 통해 ASC와 직접 결합하며, CARD domain을 통해서는 caspase-1과 직접 결합합니다. NLRP1 inflammasome의 활성은 muramyl dipeptide (MDP)와 anthrax lethal toxin (마우스의 경우 NLRP1b)에 의해 유도됩니다 [3]. 연구들에 따르면, in vitro 상에서 MDP와 anthrax lethal toxin 모두를 감지하기 위해서는 NOD2가 필요한 것으로 나타났습니다.
NLRP1 inflammasome의 활성화는 apoptotic pathway와 긴밀하게 연결되어 있습니다. 휴지 상태에서 anti-apoptotic protein인 Bcl-2와 Bcl-X(L)는 NLRP1에 결합하여 caspase-1 활성화와 IL-1β 분비를 억제하는 역할을 합니다.
여러 NLRP1 gene 변이는 자가면역 질환 및 백반증의 발병 위험 증가와 연관이 있는 것으로 밝혀졌습니다. 그러나 면역 반응에서 NLRP1 inflammasome이 수행하는 정확한 역할에 대해서는 여전히 밝혀져야 할 부분이 많습니다.
NLRC4 Inflammasome
NLRC4 (IPAF)는 현재까지 inflammasome을 조립하는 것으로 확인된 유일한 NLRC family 멤버입니다 [2,4,5].
NLRC4는 별도의 adapter protein 없이도 자신의 CARD domain을 이용해 pro-caspase-1과 직접 결합할 수 있지만, 강력한 수준의 IL-1β 분비를 위해서는 ASC와의 상호작용이 수반되어야 합니다.
NLRC4의 oligomerization은 Salmonella typhimurium, Legionella pneumophila, Shigella flexneri, Pseudomonas aeruginosa 등 다양한 박테리아 유래의 cytosolic flagellin이나, 박테리아 분비 시스템(type III 또는 type IV)을 통해 전달되는 자극들에 의해 유발됩니다.
또 다른 NLR family 멤버인 NAIP5 역시 특정 상황에서 ligand 인식 과정에 관여하는 것으로 보입니다 [11].
Flagellin은 TLR5와 NLRC4 inflammasome 모두를 자극하는 독특한 성질의 ligand입니다 [12]. 따라서 flagellin은 독자적으로 cytokine 생산 신호를 보내는 동시에 caspase-1을 통한 성숙 과정까지 이끌어낼 가능성이 매우 높습니다.
NLRP3 Inflammasome
Inflammasome 중에서도 NLRP3 inflammasome은 가장 광범위하게 연구된 대상입니다.
Macrophage에서의 활성화는 cell이 ATP에 노출된다는 전제하에, liposaccharide, peptidoglycan, 박테리아 핵산과 같은 다양한 PAMPs 자극을 통해 이루어질 수 있습니다. 실제로 ATP가 없는 상태에서 LPS 자극을 받은 macrophage는 다량의 pro-IL-1β를 합성하기는 하지만, 성숙한 cytokine을 방출하는 양은 극히 적습니다. ATP를 비롯해 nigericin, maitotoxin 같은 특정 박테리아 독소들은 intracellular ion 조성에 변화를 일으켜 NLRP3 inflammasome의 활성화를 유도합니다. ATP의 작용은 purinergic P2X7 receptor 및 pannexin에 의해 매개되며, 이는 활성화 시 cytosol로부터 급격한 potassium efflux를 발생시킵니다 [13].
Monosodium urate (MSU) Crystal과 calcium phosphate dihydrate (CPPD) 또한 NLRP3 의존적인 방식으로 caspase-1을 활성화하는 것으로 알려져 있습니다 [14]. 관절 내에 이러한 MSU 및 CPPD 결정이 쌓이는 현상은 각각 통풍과 가성 통풍의 원인이 되는데, 이는 해당 질환들의 발병 기전에 NLRP3가 깊이 관여하고 있음을 시사합니다. 또한 요산은 괴사된 cell로부터 extracellular milieu로 방출되기도 하는데, 이는 내인성 위험 신호를 감지하는 데 있어 NLRP3가 핵심적인 역할을 수행함을 암시합니다.
crystalline silica와 asbestos 역시 NLRP3 inflammasome을 활성화하는 것으로 확인되었으며, 이는 규폐증 및 석면폐증의 발병 기전과 관련이 있습니다 [15-17].
Aluminium salt (Alum)의 경우에도 LPS와 같은 PAMPs가 존재할 때 NLRP3 inflammasome을 활성화할 수 있습니다 [17-19].
Crystal의 phagocytosis는 lysosomal swelling 및 손상을 초래하며, 이러한 lysosomal perturbation과 함께 lysosomal cysteine protease인 cathepsin B가 방출되면서 결과적으로 NLRP3 inflammasome이 활성화됩니다 [17].
AIM2 Inflammasome
Cytoplasmic DNA 수용체인 AIM2 (absent in melanoma 2)는 자신의 ligand 및 ASC와 결합하여 inflammasome을 형성하고 caspase-1을 활성화합니다 [20-22].
AIM2는 interferon-inducible HIN-200 family의 일원으로, amino-terminal pyrin domain과 carboxy-terminal oligonucleotide/oligosaccharide-binding domain을 구조적으로 갖추고 있습니다.
AIM2는 자신의 binding domain을 통해 cytoplasmic double-stranded DNA를 감지하며, pyrin domain을 통해 ASC와 상호작용하여 caspase-1을 활성화합니다. 이러한 상호작용은 ASC pyroptosome의 형성으로도 이어져, caspase-1을 함유한 cell에서 pyroptotic cell death를 유도하게 됩니다.
결과적으로 AIM2는 cytoplasmic DNA에 반응하여 일어나는 inflammasome 활성화 과정에 있어 필수적이면서도 충분한 요소입니다.
inflammasome은 선천 면역 체계에서 중추적인 역할을 담당합니다. 이들은 박테리아 구성 성분부터 위험 신호('danger signals'), 그리고 잠재적으로 위협이 될 수 있는 cytoplasmic DNA를 감지하고 그에 반응합니다. 이러한 활성화 기전에 대한 보다 깊은 이해는 인체 방어 시스템과 자가면역 질환의 병인을 규명하는 데 있어 새로운 통찰력을 제공해 줄 것입니다.
Inflammasome related prudcts
IL-1β/IL-18 Sensor Cells
Inflammasome Test Cells
NLRC4 Reporter Assay
Inflammasome Inhibitors
Inflammasome Genes
Inflammasome Inducers
Inflammasome Primers
References
1. Schroder K. & Tschopp J., 2010. The inflammasomes. Cell 140(6):821-32.
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22. Fernandes-Alnemri T. et al., 2009. AIM2 activates the inflammasome and cell death in response to cytoplasmic DNA. Nature.458(7237):509-13.
23. Bürckstümmer T. et al., 2009. An orthogonal proteomic-genomic screen identifies AIM2 as a cytoplasmic DNA sensor for the inflammasome. Nat Immunol. 10(3):266-72.
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