The inflammasome recognizes cytosolic microbial and host DNA and triggers an innate immune response
Daniel A. Muruve1,5, Virginie Pétrilli3,5, Anne K. Zaiss2, Lindsay R. White1, Sharon A. Clark1, P. Joel Ross4, Robin J. Parks4 & Jurg Tschopp3
Department of Medicine,
Biochemistry and Molecular Biology, University of Calgary, Alberta T2N 4N1, Canada
Department of Biochemistry, University of Lausanne, Epalinges, Switzerland
Molecular Medicine Program, Ottawa Health Research Institute, Ottawa, Ontario K1Y 4E9, Canada
These authors contributed equally to this work.
Correspondence to: Jurg Tschopp3 Correspondence and requests for materials should be addressed to J.T. (Email: Jurg.Tschopp@unil.ch).
The innate immune system recognizes nucleic acids during infection and tissue damage. Whereas viral RNA is detected by endosomal toll-like receptors (TLR3, TLR7, TLR8) and cytoplasmic RIG-I and MDA5, endosomal TLR9 and cytoplasmic DAI bind DNA1, resulting in the activation of nuclear factor-B and interferon regulatory factor transcription factors. However, viruses also trigger pro-inflammatory responses2, which remain poorly defined. Here we show that internalized adenoviral DNA induces maturation of pro-interleukin-1 in macrophages, which is dependent on NALP3 and ASC, components of the innate cytosolic molecular complex termed the inflammasome. Correspondingly, NALP3- and ASC-deficient mice display reduced innate inflammatory responses to adenovirus particles. Inflammasome activation also occurs as a result of transfected cytosolic bacterial, viral and mammalian (host) DNA, but in this case sensing is dependent on ASC but not NALP3. The DNA-sensing pro-inflammatory pathway functions independently of TLRs and interferon regulatory factors. Thus, in addition to viral and bacterial components or danger signals in general, inflammasomes sense potentially dangerous cytoplasmic DNA, strengthening their central role in innate immunity.
Veit Hornung1,2, Andrea Ablasser1,2, Marie Charrel-Dennis1, Franz Bauernfeind1,2, Gabor Horvath1, Daniel. R. Caffrey3, Eicke Latz1,4 & Katherine A. Fitzgerald1,4
Division of Infectious Diseases and Immunology, Department of Medicine, University of Massachusetts Medical School, Worcester, Massachusetts 01605, USA
Institute of Clinical Chemistry and Pharmacology, Universitätsklinikum Bonn 53127, Germany
Pfizer, 620 Memorial Drive, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
These authors contributed equally to this work.
Correspondence to: Veit Hornung1,2Katherine A. Fitzgerald1,4 Correspondence and requests for materials should be addressed to K.A.F. (Email: kate.fitzgerald@umassmed.edu) or V.H. (Email: veit.hornung@uni-bonn.de).
自然免疫系は、生殖細胞系列にコードされているパターン認識受容体によって核酸を感知する。RNAは、Toll様受容体に属するTLR3、TLR7およびTLR8、あるいはRNAヘリカーゼであるRIG-I(別名DDX58)やMDA-5(IFIH1)によって感知される。抗ウイルス応答および(あるいは)炎症応答の引き金となる細胞質DNAを感知する機構については、ほとんど知られていない。これらの応答で最もよく特徴が明らかになっているのは、I型インターフェロン遺伝子群の転写誘導の引き金となる、TANK結合キナーゼ(TBK1)-インターフェロン制御因子3(IRF3)シグナル伝達軸の活性化である。もう1つの、あまり特徴が明らかになっていない経路は、「インフラマソーム」の活性化を引き起こす経路で、カスパーゼ1を介して、サイトカインであるIL1βやIL18の前駆体型の触媒による切断を制御する。本論文では、マウスとヒトの細胞を使用して、PYHIN(pyrin and HIN domain-containing protein)ファミリーに属するAIM2(absent in melanoma 2)が、カスパーゼ1を調節する細胞質DNA受容体であることを明らかにする。AIM2のHIN200ドメインはDNAに結合するが、ピリン(pyrin)ドメインは、アダプター分子であるASC(apoptosis-associated speck-like protein containing a caspase activation and recruitment domain)と会合して、NF-κBとカスパーゼ1の両方を活性化する(しかし、AIM2以外のPYHINファミリーのピリンドメインはASCに結合しない)。 Aim2 をノックダウンすると、細胞質の二本鎖DNAと二本鎖DNAワクシニアウイルスに応答したカスパーゼ1の活性化が起こらなくなる。以上の結果から、AIM2は細胞質DNAのこれまで知られていなかった受容体であり、リガンドやASCとともにインフラマソームを形成して、カスパーゼ1を活性化することが明らかになる。
Department of Biochemistry and Molecular Biology, Center for Apoptosis Research, Kimmel Cancer Institute, Thomas Jefferson University, Philadelphia, Pennsylvania 19107, USA
These authors contributed equally to this work.
Correspondence to: Emad S. Alnemri1 Correspondence and requests for materials should be addressed to E.S.A. (Email: E_Alnemri@lac.jci.tju.edu).
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宿主および病原体に関連した細胞質二本鎖DNAは、NALP3(cryopyrinやNLRP3としても知られている)非依存的なインフラマソームの活性化を引き起こし、カスパーゼ1を活性化して、インターロイキン1前駆体βの成熟と炎症をもたらす。この細胞質DNAを感知するインフラマソームの性質は、現在のところ明らかではない。今回我々は、アミノ末端のピリンドメインとカルボキシ末端のオリゴヌクレオチド/オリゴ糖結合ドメインを含有するインターフェロン誘導性HIN-200ファミリーの一員であるAIM2(absent in melanoma 2)が、そのオリゴヌクレオチド/オリゴ糖結合ドメインによって細胞質DNAを感知し、またピリンドメインを介してASC(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD)と相互作用し、カスパーゼ1を活性化することを示す。また、AIM2のASCとの相互作用によってASCピロプトソーム(pyroptosome)も形成され、これがカスパーゼ1を含む細胞のピロトーシス細胞死を誘導する。低分子干渉RNAによるAIM2のノックダウンは、ヒトとマウスのマクロファージにおいて、細胞質DNAによるインフラマソーム/ピロプトソームの活性化を減弱させた。その一方で、細胞質DNAに対して非応答性のヒト胎児腎臓293T細胞株において、AIM2の安定発現により応答性が与えられた。我々の結果は、細胞質DNAがAIM2のオリゴマー化を誘導することによって、AIM2インフラマソームの形成を引き起こすことを示している。この研究は、有害となりかねない細胞質DNAを感知し、ASCピロプトソームおよびカスパーゼ1の活性化をもたらすインフラマソームの重要な構成成分として、AIM2を同定している。
An orthogonal proteomic-genomic screen identifies AIM2 as a cytoplasmic DNA sensor for the inflammasome.
Bürckstümmer T, Baumann C, Blüml S, Dixit E, Dürnberger G, Jahn H, Planyavsky M, Bilban M, Colinge J, Bennett KL, Superti-Furga G.
Research Center for Molecular Medicine of the Austrian Academy of Sciences, 1090 Vienna, Austria.
Cytoplasmic DNA triggers activation of the innate immune system. Although 'downstream' signaling components have been characterized, the DNA-sensing components remain elusive. Here we present a systematic proteomics screen for proteins that associate with DNA, 'crossed' to a screen for transcripts induced by interferon-beta, which identified AIM2 as a candidate cytoplasmic DNA sensor. AIM2 showed specificity for double-stranded DNA. It also recruited the inflammasome adaptor ASC and localized to ASC 'speckles'. A decrease in AIM2 expression produced by RNA-mediated interference impaired DNA-induced maturation of interleukin 1beta in THP-1 human monocytic cells, which indicated that endogenous AIM2 is required for DNA recognition. Reconstitution of unresponsive HEK293 cells with AIM2, ASC, caspase-1 and interleukin 1beta showed that AIM2 was sufficient for inflammasome activation. Our data suggest that AIM2 is a cytoplasmic DNA sensor for the inflammasome.
HIN-200 proteins regulate caspase activation in response to foreign cytoplasmic DNA.
Roberts TL, Idris A, Dunn JA, Kelly GM, Burnton CM, Hodgson S, Hardy LL, Garceau V, Sweet MJ, Ross IL, Hume DA, Stacey KJ.
The University of Queensland, Institute for Molecular Bioscience, QLD 4072, Australia.
The mammalian innate immune system is activated by foreign nucleic acids. Detection of double-stranded DNA (dsDNA) in the cytoplasm triggers characteristic antiviral responses and macrophage cell death. Cytoplasmic dsDNA rapidly activated caspase 3 and caspase 1 in bone marrow-derived macrophages. We identified the HIN-200 family member and candidate lupus susceptibility factor, p202, as a dsDNA binding protein that bound stably and rapidly to transfected DNA. Knockdown studies showed p202 to be an inhibitor of DNA-induced caspase activation. Conversely, the related pyrin domain-containing HIN-200 factor, AIM2 (p210), was required for caspase activation by cytoplasmic dsDNA. This work indicates that HIN-200 proteins can act as pattern recognition receptors mediating responses to cytoplasmic dsDNA.
HIN-200ファミリー蛋白質は細胞質内の外来性DNAに応答してカスパーゼの活性化を制御する
HIN-200 Proteins Regulate Caspase Activation in Response to Foreign Cytoplasmic DNA
Tara L. Roberts, Adi Idris, Jasmyn A. Dunn, Greg M. Kelly, Carol M. Burnton, Samantha Hodgson, Lani L. Hardy, Valerie Garceau, Matthew J. Sweet, Ian L. Ross, David A. Hume, and Katryn J. Stacey
哺乳類の自然免疫系は、外来性の核酸によって活性化される。細胞質内で二本鎖DNA(dsDNA)を検知すると、dsDNAに特有の抗ウイルス応答が惹起され、マクロファージに細胞死が誘導される。細胞質内へdsDNAを導入すると、骨髄由来のマクロファージでは、ただちにカスパーゼ3とカスパーゼ1が活性化された。今回われわれは、dsDNAに結合する蛋白質として、p202を同定した。p202は、HIN-200ファミリーに属し、ループス感受性因子と考えられる。p202は、導入したDNAに安定かつ迅速に結合した。遺伝子抑制を用いた研究により、p202はDNAによって誘導されるカスパーゼ活性化の抑制因子であることが明らかになった。これとは逆に、同一ファミリーでピリンドメインをもつHIN-200因子のAIM2(p210)は、細胞質内dsDNAによるカスパーゼ活性化に必要であった。以上の研究は、HIN-200ファミリーの蛋白質が、細胞質内dsDNAに対する応答を担うパターン認識受容体として作用しうることを示唆している。
RNA polymerase III detects cytosolic DNA and induces type I interferons through the RIG-I pathway.
Chiu YH, Macmillan JB, Chen ZJ.
Cell. 2009 Aug 7;138(3):576-91. Epub 2009 Jul 23.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19631370?ordinalpos=2&itool=EntrezSystem2.PEntrez.Pubmed.Pubmed_ResultsPanel.Pubmed_DefaultReportPanel.Pubmed_RVDocSum
RIG-I-dependent sensing of poly(dA:dT) through the induction of an RNA polymerase III-transcribed RNA intermediate.
Ablasser A, Bauernfeind F, Hartmann G, Latz E, Fitzgerald KA, Hornung V.
Nat Immunol. 2009 Oct;10(10):1065-72. Epub 2009 Jul 16.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19609254?ordinalpos=3&itool=EntrezSystem2.PEntrez.Pubmed.Pubmed_ResultsPanel.Pubmed_DefaultReportPanel.Pubmed_RVDocSum