生命科学研究ハイライトコミュの細菌の自然免疫：特にFlagellin関連

↑PLoS Pathogは創刊1年目はfreeなので、onlineで全部読めます。

Flagellin-Deficient Legionella Mutants Evade Caspase-1- and Naip5-Mediated Macrophage Immunity
http://pathogens.plosjournals.org/perlserv/?request=get-document&doi=10.1371/journal.ppat.0020018

JEMにまたIpafが出てた↓

Role of the caspase-1 inflammasome in Salmonella typhimurium pathogenesis

Maria Lara-Tejero1, Fayyaz S. Sutterwala2,3, Yasunori Ogura3, Ethan P. Grant4, John Bertin4, Anthony J. Coyle4, Richard A. Flavell3, and Jorge E. Gal?n1
1 Section of Microbial Pathogenesis, 2 Section of Infectious Diseases, and 3 Section of Immunobiology, Howard Hughes Medical Institute, Yale University School of Medicine, New Haven, CT 06536
4 Millenium Pharmaceuticals, Inc., Cambridge, MA 02139

Caspase-1 is activated by a variety of stimuli after the assembly of the "inflammasome," an activating platform made up of a complex of the NOD-LRR family of proteins. Caspase-1 is required for the secretion of proinflammatory cytokines, such as interleukin (IL)-1? and IL-18, and is involved in the control of many bacterial infections. Paradoxically, however, its absence has been reported to confer resistance to oral infection by Salmonella typhimurium. We show here that absence of caspase-1 or components of the inflammasome does not result in resistance to oral infection by S. typhimurium, but rather, leads to increased susceptibility to infection.

http://www.jem.org/cgi/content/abstract/jem.20060206v1

Flavellは最近Immunityも出している↓

Critical role for NALP3/CIAS1/Cryopyrin in innate and adaptive immunity through its regulation of caspase-1.
Sutterwala FS, Ogura Y, Szczepanik M, Lara-Tejero M, Lichtenberger GS, Grant EP, Bertin J, Coyle AJ, Galan JE, Askenase PW, Flavell RA.
Immunity. 2006 Mar;24(3):317-27.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=pubmed&dopt=Abstract&list_uids=16546100&query_hl=31&itool=pubmed_docsum

Nat Rev ImmunolとNat Rev MicrobiolのResearch Highlight にIpafの話が出てた（全く同じ内容・・）。

Nature Reviews Immunology, advance online publication, 19 May 2006 | doi:10.1038/nri1870
http://www.nature.com/nri/journal/vaop/ncurrent/full/nri1870.html
Nature Reviews Microbiology 4, 415 (June 2006) | doi:10.1038/nrmicro1432
http://www.nature.com/nrmicro/journal/v4/n6/full/nrmicro1432.html

Research Highlight

Innate immunity: Finding flagellin
Sheilagh Molloy

Bacterial flagellin is a known ligand for the Toll-like receptor TLR5. However, several recent papers have now revealed that in addition to the TLR5 pathway, which responds to extracellular flagellin, host macrophages can respond to cytosolic flagellin through members of the NOD-like receptor (NLR) family.

The recognition of pathogen-associated molecular patterns by host TLRs is a key component of innate immunity and much has been learned about TLRs and their signalling pathways over the past decade. More recently, attention has turned to the role of non-TLRs in innate immunity, including the cytoplasmic NLR family. Details of the NLR signalling pathways are beginning to emerge and NLRs are known to be involved in secretion of the pro-inflammatory cytokine interleukin-1 (IL-1) by macrophages. IL-1 is produced initially as a zymogen that is activated for secretion by caspase 1.

In Salmonella typhimurium infection, the NLR protein Ipaf was known to be involved in caspase 1 activation and IL-1 secretion but, until now, the S. typhimurium ligand for Ipaf was unknown. Two independent groups led by Gabriel N??ez and Alan Aderem investigated the nature of the innate immune response to S. typhimurium infection. Both groups confirmed that Ipaf was required for IL-1 production and caspase 1 activation in macrophages. Additionally, they both found that S. typhimurium mutants that either lack or have mutated flagella did not stimulate caspase 1 activation or IL-1 secretion, suggesting that flagellin is the S. typhimurium ligand for Ipaf.

As flagellin is also a known ligand for TLR5, the involvement of TLRs was examined ? both groups found that S. typhimurium could stimulate caspase 1 activation and IL-1 secretion in TLR5-deficient macrophages, and in wild-type macrophages, and in addition Franchi et al. found normal levels of caspase 1 activation and IL-1 secretion in tolerant macrophages that are refractory to TLR stimulation. Taken together, these results suggest that macrophages sense flagellin through a TLR5-independent pathway that relies on the cytoplasmic sensor Ipaf. Further confirmation that Ipaf senses flagellin in the cytosol independently of TLR5 comes from the fact that both groups also demonstrated that purified flagellin delivered to the cytosol triggered caspase 1 activation in wild-type but not Ipaf-deficient macrophages. The mechanism by which flagellin accesses the cytosol during infection remains to be completely elucidated, however genetic evidence presented by Miao et al. suggests that it is transferred directly into the host cell cytoplasm by the virulence-associated type III secretion system.

These results are echoed by results published recently in two independent papers, one in PLoS Pathogens and one in Journal of Experimental Medicine, which indicate that an NLR is also involved in cytosolic sensing of Legionella pneumophila flagellin through a TLR5-independent, caspase-1-dependent pathway.

References and links

ORIGINAL RESEARCH PAPERS
Franchi, L. et al. Cytosolic flagellin requires Ipaf for activation of caspase-1 and interleukin 1 in Salmonella-infected macrophages. Nature Immunol. 30 April 2006 (doi:10.1038/ni1346)
Article
Miao, E. A. et al. Cytoplasmic flagellin activates caspase-1 and secretion of interleukin 1via Ipaf. Nature Immunol. 30 April 2006 (doi:10.1038/ni1344)
Article
Ren, T. et al. Flagellin-deficient Legionella mutants evade caspase 1 and Naip5-mediated macrophage immunity. PLoS Pathogens 3 e18 (2006)
Molofsky, A. B. et al. Cytosolic recognition of flagellin by mouse macrophages restricts Legionella pneumophila infection. J. Exp. Med. 203, 1093?1104 (2006)

Ipafはnewsにも出てる↓

News and Views

Nature Immunology 7, 549 - 551 (2006)
doi:10.1038/ni0606-549
Cytosolic detection of flagellin: a deadly twist

Craig R Roy & Dario S Zamboni

Craig R. Roy and Dario S. Zamboni are with the Section of Microbial Pathogenesis, Yale University School of Medicine, New Haven, Connecticut 06536, USA.

Immune responses to bacterial infection occur by host cell detection of bacterial components. Monomeric flagellin can be elicited directly by host cells and then are 'sensed' by the cytosolic protein Ipaf.

http://www.nature.com/ni/journal/v7/n6/abs/ni0606-549.html

Nature JapanにIpafの説明が出ていた↓

フラジェリンを探す
http://www.natureasia.com/japan/nature/updates/nrmb.php?id=1476

細菌のタンパク質であるフラジェリンはToll-like receptor TLR５のリガンドとして知られている。しかし、最近の論文で、細胞外フラジェリンに対して応答するTLR5経路に加え、宿主マクロファージはNOD-like receptor（NLR）ファミリーのメンバーを通してサイトゾルのフラジェリンに応答できることが明らかにされた。

宿主TLRによる病原体関連分子パターンの識別は自然免疫の重要な要素であり、TLRおよびそのシグナリング経路についてはこの十年で多くのことがわかってきた。最近、自然免疫における細胞質NLRファミリーを含めたTLR以外の受容体の役割に関心が移ってきた。NLRシグナリング経路の詳細が解明されつつあり、NLRはマクロファージによる炎症誘発性サイトカインであるインターロイキン‐１β（IL‐１β）の分泌に関与することが知られている。IL‐１βはまず酵素前駆体として産生し、カスパーゼ１により活性化されて分泌される。

Salmonella typhimurium（ネズミチフス菌）感染では、NLR蛋白質Ipafがカスパーゼ１活性化およびIL‐１β分泌に関与することがわかっていた。しかし、Ipafのネズミチフス菌側のリガンドはこれまでわかっていなかった。Gabriel N??ezとAlan Aderemの２つのグループが、ネズミチフス菌感染に対する自然免疫応答について研究した。両グループは、マクロファージにおけるIL‐１β産生およびカスパーゼ１活性化にIpafが必要であることを示した。さらに、フラジェリンを欠くあるいは変異したフラジェリンを有するネズミチフス菌変異体はカスパーゼ１活性化もIL‐１β分泌も促進しないことから、フラジェリンがネズミチフス菌のIpafに対するリガンドであることを、両グループは明らかにした。

フラジェリンはTLR5のリガンドとしても知られていることから、TLRの関与について調べた。両グループは、ネズミチフス菌はTLR5欠損マクロファージおよび野生型マクロファージにおけるカスパーゼ１活性化およびIL‐１β分泌を活性化できることを見い出し、さらに、FranchiらはTLR刺激に対して抵抗性の寛容性マクロファージにおけるカスパーゼ１活性化およびIL‐１β分泌が正常レベルであることを明らかにした。これらの結果から、マクロファージは細胞質センサーであるIpafに依存するTLR5非依存性経路によりフラジェリンを感知することを示唆した。両グループが、精製したフラジェリンを細胞質に与えると野生型マクロファージではカスパーゼ１が活性化されるがIpaf欠乏マクロファージでは活性化されないことを証明した事実から、Ipafは細胞質においてTLR5に依存せずにフラジェリンを感知することをさらに裏付けた。感染中フラジェリンが細胞質に移行出現するメカニズムは完全に解明されたわけではないが、Miaoらが示した遺伝学的証拠から、フラジェリンは病原性と関連したIII型分泌系により宿主細胞の細胞質に直接運ばれることが示唆された。

これらの結果と同調する結果が２つの雑誌、PLoS　PathogensおよびJournal of Experimental Medicine、に報告された。これらは、NLRがTLR5非依存性にカスパーゼ１依存性経路によってLegionella pneumophila (レジオネラニューモフィラ)フラジェリンを細胞質で感知することを示している。

↑Research Highlightのまるっきり直訳だな・・

細菌感染の感知
http://www.natureasia.com/japan/nature/updates/ni.php?id=1464
細菌感染の際にみられる宿主細胞と細菌との複雑な相互作用について、新たな報告が寄せられている。Nature Immunology6月号に掲載されている3つの研究によって、サルモネラ菌と感染細胞との関係に関する新たな知見が得られた。
　宿主細胞は、侵入してきた細菌がもつ特有の成分を特殊な「センサー」を用いて感知し、炎症を誘起することによって体内に感染警報を出す。細菌にはフラジェリンというタンパク質があり、これが束になって鞭毛を形成する。細菌が泳げるのは、この尾の働きによる。
　Alan AderemとGabriel Nunezは、サルモネラ菌が宿主細胞に感染したときに、菌から遊離したフラジェリンをセンサーが感知して炎症を引き起こすことを発見した。Ayub Qadriたちの研究はこれを補足するもので、宿主細胞が脂質を生産してサルモネラ菌を「だまし」、センサーで検出できるようにフラジェリンを分泌させて免疫応答の引き金とすることを明らかにした。これらの研究成果は、細菌が炎症を引き起こすしくみや宿主細胞がこの過程に積極的にかかわっているようすを新たに詳しく示すものとして興味深い。

Detection of pathogenic intestinal bacteria by Toll-like receptor 5 on intestinal CD11c(+) lamina propria cells.
Uematsu S, Jang MH, Chevrier N, Guo Z, Kumagai Y, Yamamoto M, Kato H, Sougawa N, Matsui H, Kuwata H, Hemmi H, Coban C, Kawai T, Ishii KJ, Takeuchi O, Miyasaka M, Takeda K, Akira S
Nat Immunol. 2006 Aug;7(8):868-74. Epub 2006 Jul 9.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=pubmed&cmd=Retrieve&dopt=AbstractPlus&list_uids=16829963&query_hl=1&itool=pubmed_docsum

JCBにも紹介されている↓　JEM向けかと思ったのに。

The Journal of Cell Biology
Research Roundup
Salmonella sneaks past security
http://www.jcb.org/cgi/content/full/jcb.1743rr2v1?papetoc

Certain gut cells can leave resident bacteria alone but respond selectively to invaders. Satoshi Uematsu, Shizuo Akira, and colleagues (Osaka University, Japan) suggest that gut cells achieve this differentiation by using a special, pathogen-specific receptor called the Toll-like receptor 5 (TLR5). But the pathogenic Salmonella typhimurium turns the situation around: events triggered by the special receptor help the bug to invade its host.

TLRs, which are expressed on professional antigen-presenting cells, recognize common pathogen-associated molecules and trigger innate immunity. TLR5 on dendritic cells recognizes bacterial flagellin protein in vitro, but its function in vivo was previously unknown.

Akira's team found that TLR5 mRNA was highly expressed in the mouse intestine particularly in a specific subpopulation of antigen-presenting lamina propria cells (CD11c+ LPCs). In these cells, TLR5 was necessary for bacterial flagellin to induce inflammatory cytokines, yet when the team infected TLR5-/- mice with Salmonella, a flagellated bacterium, these mice were unexpectedly resistant to the bug.

It was not, however, invasion of the CD11c+ LPCs that showed a difference. In the gut, Salmonella invaded the CD11c+ LPCs in both TLR5+/+ and TLR5-/- mice. However, in the TLR5-/- mice, fewer bacteria-laden CD11c+ LPCs moved from the intestinal tract to the mesenteric lymph nodes, probably because the LPCs failed to be activated by the bacteria. These mice had more resistance to systemic infection--fewer bacteria reached their livers and spleens--but it is not yet clear whether a similar tactic of TLR5 blocking would work in humans.

Reference:
Uematsu, S., et al. 2006. Nat. Immunol. doi:10.1038/ni1362. [Abstract]

Research Highlight
Nature Reviews Immunology 6, 568-569 (August 2006) | doi:10.1038/nri1902

Innate immunity: Gut feeling
Lucy Bird
http://www.nature.com/nri/journal/v6/n8/full/nri1902.html

How intestinal immune cells discriminate between pathogenic and commensal bacteria in the gut has troubled immunologists and microbiologists alike for decades. Might the answer lie in the selective expression of Toll-like receptors (TLRs) by cells in the lamina propria, as described by Shizuo Akira and colleagues in a recent Nature Immunology paper?

TLR5 recognizes the flagella of both Gram-positive and Gram-negative bacteria and has been shown to be expressed mainly on the basolateral surface of intestinal epithelial cells. It is not, however, expressed by conventional splenic dendritic cells or macrophages, which implies an important role for TLR5 in the detection of invasive flagellated bacteria in the gut. In this study, the authors observed that CD11c+ cells in the intestinal lamina propria preferentially express TLR5 and not TLR4.

Gene-expression analysis showed that, following stimulation of CD11c+ lamina propria cells with flagellin, the expression of pro-inflammatory cytokines such as interleukin-6 (IL-6) and other immune-related proteins was induced. Interestingly, expression of the regulatory cytokine IL-10 was not induced, indicating that the response to flagellin is immunostimulatory and not tolerogenic.

By generating Tlr5-knockout mice, the authors then studied the role of TLR5 in response to commensal (Enterobacter cloacae) versus pathogenic (Salmonella enterica serovar Typhimurium) bacteria in vivo. Although wild-type CD11c+ lamina propria cells produced copious amounts of IL-6 in response to S. typhimurium, only low levels were induced by E. cloacae. Importantly, the response to the pathogenic bacteria was TLR5 dependent, as Tlr5-/- CD11c+ lamina propria cells failed to respond. This was in contrast to the response by wild-type CD11c+ splenic cells, which, although they lack TLR5 expression, responded to both S. typhimurium and E. cloacae in a TLR4-dependent manner.

So, how does the absence of this immune response in Tlr5-/- mice affect the outcome of infection with S. typhimurium? Surprisingly, Tlr5-/- mice survived infection with an otherwise lethal dose of S. typhimurium. This was probably due to the involvement of TLR5 in the transport of the bacteria from the gut to the blood and therefore in establishing lethal systemic infection, as fewer bacteria could be detected in the mesenteric lymph nodes and spleen of infected Tlr5-/- mice than infected wild-type mice.

Therefore, although selective expression of TLRs by cells in the lamina propria provides an elegant way of avoiding responses to commensal bacteria, pathogenic bacteria might have evolved ways to use this to their advantage.

ORIGINAL RESEARCH PAPER
Uematsu, S. et al. Detection of pathogenic intestinal bacteria by Toll-like receptor 5 on intestinal CD11c+ lamina propria cells. Nature Immunol. 9 July 2006 (doi:)

Involvement of Toll-like receptor 5 in the recognition of flagellated bacteria.
Feuillet V, Medjane S, Mondor I, Demaria O, Pagni PP, Galan JE, Flavell RA, Alexopoulou L.
Proc Natl Acad Sci U S A. 2006 Aug 15;103(33):12487-12492. Epub 2006 Aug 4.

Toll-like receptors (TLRs) are key components of the immune system that detect microbial infection and trigger antimicrobial host defense responses. TLR5 is a sensor for monomeric flagellin, which is a component of bacterial flagella known to be a virulence factor. In this study we generated TLR5-deficient mice and investigated the role of TLR5 signaling in the detection of flagellin and antibacterial immune responses to Salmonella typhimurium and Pseudomonas aeruginosa. We found that TLR5 is essential for the recognition of bacterial flagellin both in vivo and ex vivo. TLR5 contribution to antibacterial host response to i.p. infection with S. typhimurium or intranasal administration of P. aeruginosa may be masked by TLR4 or other sensing mechanisms. By using radiation bone marrow chimera, we showed that upon i.p. injection of flagellin immune responses are mediated by lymphoid cells, whereas resident cells are required for the initiation of response upon intranasal flagellin administration. These results suggest that flagellin recognition in different organs is mediated by distinct TLR5-expressing cells and provide insights into the cooperation of the TLR5 and TLR4 signaling pathways used by the innate immune system in the recognition of bacterial pathogens.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=pubmed&cmd=Retrieve&dopt=AbstractPlus&list_uids=16891416&query_hl=9&itool=pubmed_docsum

August, 2006
敵味方の識別
http://www.natureasia.com/japan/nature/updates/ni.php?id=1491

免疫系が「有害な」細菌と「有益な」細菌とをどのようにして見分けるのかが明らかになった。細菌がすべて危険というわけではない。それどころか、ヒトの腸には普段からさまざまな細菌が住みついていて、腸の健康の維持を助けている。サルモネラ菌のような有害細菌をうっかり飲み込んでしまったときには、免疫系は、おびただしい数の友好的な菌の中からこの危険な侵入者の存在を見つけ出さなくてはならない。
　Shizuo Akiraたちは、有害細菌の成分の1つを認識する受容体TLR5を発現している免疫細胞が、腸に通常生息している有益な細菌を検出しないことを明らかにした。その理由は、これらの免疫細胞が思いがけないことに、有害細菌と有益細菌の両方に存在する成分を「感知する」受容体TLR4を持たないからである。免疫系はこのような方法で、細菌の善し悪しを見分けられるらしい。

August, 2006
腸内細菌と免疫
http://www.natureasia.com/japan/nature/updates/nri.php?id=1499
腸の免疫細胞が腸内の病原性細菌と共生細菌を見分ける仕組みは、免疫学と微生物学の両方の分野で数十年間にわたって研究者を悩ませてきた。最近、審良静男らはNature Immunologyに粘膜固有層中の細胞がToll様受容体（TLR）を選択的に発現していることを報告しているが、これはこの問題の解答になるかもしれない。

TLR5は、グラム陽性とグラム陰性の両方の細菌の鞭毛を認識し、腸上皮細胞の側底部表面で主に発現されることがわかっている。しかし、TLR5は普通の脾臓樹状細胞あるいはマクロファージでは発現されない。このことから、TLR5は腸に侵入してくる鞭毛を持つ細菌の監視に重要な役割を持っていると考えられる。審良らは今回の研究で、腸の粘膜固有層のCD11c+細胞がTLR5を多く発現しており、TLR4の発現は少ないことを見いだした。

粘膜固有層のCD11c+細胞をフラジェリンで刺激すると、インターロイキン6（IL-6）のような炎症誘発性サイトカインや他の炎症関連タンパク質の発現が誘導されることが、遺伝子発現解析からわかった。このとき、調節性サイトカインであるIL-10の発現は誘導されず、フラジェリンへの応答は免疫刺激性であって寛容原性ではないということも明らかになった。

ついで著者らは、Tlr5ノックアウトマウスを作出して、共生細菌（Enterobacter cloacae）と病原性細菌（Salmonella enterica serovar Typhimurium）に対する応答におけるTLR5の役割をin vivoで比較検討した。野生型のCD11c+粘膜固有層細胞はS. typhimuriumに応答して多量のIL-6を産生したが、E. cloacaeの場合はIL-6は少量しか産生されなかった。Tlr5-/-粘膜固有層細胞は病原性細菌に対する応答が阻害されていたので、病原性細菌に対するこうした応答がTLR5依存性だという重要なことがわかった。これは、野生型 CD11c+脾臓細胞による応答とは大きく異なっている。野生型 CD11c+脾臓細胞はTLR5を発現していないが、S. typhimuriumとE. cloacaeの両方に対してTLR4依存的な応答がみられた。

では、Tlr5-/-マウスでこうした免疫応答が起こらないことは、S. typhimurium感染の予後にどのように影響するのだろうか。意外にも、Tlr5-/-マウスは致死量のS. typhimuriumに感染しても死ななかった。これはおそらく、腸から血液への細菌の輸送とその結果起こる致死的な全身性感染の確立にTLR5がかかわっているからだろうと考えられた。実際、感染したTlr5-/-マウスの腸間膜リンパ節や脾臓では野生型マウスに比べて細菌数が少なかったのである。

つまり、粘膜固有層細胞でのTLRの選択的発現は、腸内共生細菌に対する応答を回避するうまい方法といえるのだが、病原菌の方でもこの仕組みを自分たちに有利になるように使う方法を進化させてきたようなのである。