インフラマソーム

インフラマソームは、自然免疫系の細胞質 多タンパク質複合体であり、炎症反応および細胞死の活性化を担っています。^{[1] [2]}これらは、  微生物由来の病原体関連分子パターン( PAMP)、宿主細胞からの損傷関連分子パターン(DAMP)、または恒常性破壊を感知する特定の細胞質パターン認識受容体 (PRR) の結果として形成されます。 ^{[1] [2] [3]}インフラマソームの活性化および集合はカスパーゼ-1の活性化を促進し、これが次にタンパク質分解的に炎症誘発性サイトカイン、インターロイキン-1β (IL-1β) およびインターロイキン-18 (IL-18)、ならびに孔形成分子ガスデルミンD ( GSDMD ) を切断します。^{[2] [3] [4]この切断によって生じるN末端GSDMD断片は、}アポトーシスとは異なる炎症誘発性のプログラム細胞死、いわゆるピロプトーシスを誘導し、成熟サイトカインの放出を引き起こす。^{[2] [5]さらに、インフラマソームはPANオプトソームと呼ばれるより大きな細胞死誘導複合体の不可欠な構成要素として作用し、} PANオプトーシスと呼ばれる別の異なる炎症誘発性細胞死を引き起こす。^{[4] [6]}

インフラマソーム形成を促進する生殖細胞系列にコード化されたPRRは、NLR（ヌクレオチド結合オリゴマー化ドメインおよびロイシンリッチリピート含有受容体）、AIM2（メラノーマ2には存在しない）、IFI16（IFN誘導性タンパク質16）、およびピリンで構成される。^{[2] [7]}インフラマソーム受容体は、カスパーゼ活性化およびリクルートドメイン（CARD）またはピリンドメイン（PYD）を介して、CARDを含むアポトーシス関連スペック様タンパク質（ASCまたはPycardとしても知られる）と呼ばれるアダプタータンパク質と相互作用し、次にCARDドメインを介してプロカスパーゼ1をリクルートして、炎症性シグナル伝達およびピロプトーシス性細胞死を活性化する。^{[2] [8]}注目すべきことに、アダプタータンパク質ASCのPYDはプリオン様ドメインとして機能することが実証されており、活性化されると自己永続的なポリマーを形成する。^[9]カスパーゼ1を活性化するインフラマソームに加えて、いくつかの研究では、カスパーゼ1とは独立して作用する非標準的なインフラマソーム複合体も説明されている。マウスでは、非標準的なインフラマソームは、細胞質細菌リポ多糖（LPS）をカスパーゼ11が直接感知することで活性化され、その後、ピロプトーシス細胞死を誘導する。^[ doi：10.1038/nri.2016.58 ^]ヒト細胞では、非標準的なインフラマソームに対応するカスパーゼは、カスパーゼ4とカスパーゼ5である。^{[10] [11] [12] [13] [14]}

従来、インフラマソームは主にマクロファージなどの専門的な自然免疫細胞で研究されてきました。しかし、最近の研究では、インフラマソーム成分が上皮バリア組織で高レベルで発現していることが示されており、重要な第一防衛線として機能することが実証されています。^[15]さらに、インフラマソーム活性化の調節不全は、癌、自己免疫疾患、炎症性疾患、代謝障害、神経変性疾患など、いくつかの主要な疾患の病理に寄与する可能性があります。^{[2] [16]}

インフラマソームは、2002年にローザンヌ大学のJürg Tschoppの研究チームによって発見されました。^{[17] [18]} 2002年にMartinonら^{[17]によって、} NLRP1 （NLRファミリーPYD含有1）がin vitroで集合してオリゴマー化し、カスパーゼ1カスケードを活性化して、IL-1βやIL-18などの炎症性サイトカインの産生につながることが初めて報告されました。このNLRP1多分子複合体は「インフラマソーム」と名付けられ、その後数年間大きな関心を集めました。その頃、他のインフラマソームがいくつか発見されましたが、そのうちの2つ、NLRP3（NLRファミリーPYD含有3）とNLRC4（NLRファミリーCARD含有4）もNLRによって駆動されます。^[18]インフラマソームの生理学的関連性は2006年に特定され、3つのチームが感染症、毒素への曝露、痛風、2型糖尿病などの疾患におけるインフラマソームの役割を定義しました。^{[19] [20] [21] [18]}細菌RNAとイミダゾキノリン、ウイルスDNA、ムラミルジペプチド（MDP）、アスベスト、シリカを含むいくつかのPAMPとDAMPがインフラマソーム反応を誘発することがわかりました。^[22]メタボリックシンドロームとインフラマソームセンサーの1つであるNLRP3の間にも追加の関連が見つかりました。^[18]これらの発見は、自然免疫と細胞死の分野における現在の研究への道を開いたもので、インフラマソームの組み立てと活性化に関連して疾患のメカニズムと治療法が研究されています。^[18]

インフラマソームは、NLRタンパク質以外のPRRによっても形成される。2009年にHornungらは、外来の細胞質二本鎖DNA（dsDNA）に反応してインフラマソームを組み立てるAIM2として知られるPYHIN（ピリンおよびHINドメイン含有タンパク質）を特定し^[23] 、他のいくつかのグループもHornungらと連続した研究でこれを確認した^{[24] [25] [26]} 。それ以来、NLR以外のインフラマソームセンサーも特定されている。

インフラマソームの組み立てとその結果生じる炎症性シグナル伝達カスケードには、上流センサー、アダプター、下流エフェクターで構成されるよく調整されたメカニズムが関与しています。インフラマソームは、感染性トリガー（細菌、真菌、ウイルス、寄生虫を含む）や無菌性トリガー（イオンフラックス、ミトコンドリア機能不全、活性酸素、代謝因子を含む）などの一連の刺激に反応してPRRを活性化することにより、自然免疫において重要な役割を果たします。^{[26] [27]}

標準的なインフラマソームは、NLR（NLRP1、NLRP3、NLRC4を含む）、AIM2、およびピリン^[2]によって、ASCアダプターの有無にかかわらず、プロカスパーゼ-1（カスパーゼ-1の前駆分子）をリクルートすることで組み立てられます。^{[7] [}完全な状態では、インフラマソームは多くのp45プロカスパーゼ-1分子を並置し、それらの自己触媒切断を誘導してp20およびp10サブユニットにします。その後、カスパーゼ-1は、それぞれp20およびp10サブユニットを含む2つのヘテロ二量体で構成される活性型に組み立てられます。^[28]

カスパーゼ1の活性化は、炎症性サイトカインIL-1βとIL-18の放出を促進する。GSDMDの切断も活性カスパーゼ1によって開始され、ピロプトーシス（細胞が細胞質内容物を放出して炎症誘発性シグナル伝達を誘導する）を引き起こす。インフラマソーム活性化後に放出されたIL-1βとIL-18は、インターフェロンガンマ（IFN-γ）分泌とナチュラルキラー細胞の活性化、^[29] IL-33の不活性化、^[30] DNA断片化と細胞孔形成、^[31]解糖系酵素の阻害、^[32]脂質生合成の活性化、^[33]プロIL-1αなどの組織修復メディエーターの分泌を誘導する。^[34]  NLRP1、NLRP3、NLRC4、AIM2、およびピリンが最もよく特徴付けられたセンサーである一方、IFI16、NLRP6、NLRP7、NLRP9b、NLRP10、NLRP12、およびCARD8もインフラマソームの活性化とシグナル伝達に重要な役割を果たしている。

非標準的なインフラマソームはカスパーゼ11（ヒトではカスパーゼ4および5）によって組み立てられる。カスパーゼ11、4、5はGSDMDを切断してピロトーシスまたはNLRP3インフラマソーム複合体の活性化を誘導することができる。^{[35] [14]}

インフラマソームセンサーは、その構造特性に基づいて、NLR、ALR、およびピリンに分類されます。これらの受容体は、インフラマソームを形成し、カスパーゼ-1の活性化を引き起こす能力を持っています。NLRファミリーは、N末端にPYDまたはCARDが含まれているかどうかに応じて、それぞれNLRPまたはNLRCサブファミリーに分類できます。NLRP1、NLRP3、およびNLRC4などの特定のタンパク質は、インフラマソームを組み立てることができるNLRとして主に認識されていますが、NLRP6、NLRP12などの他のタンパク質は、コンテキスト依存のインフラマソームセンサーと見なされています。^[36]

NLRP1、NLRP3、およびNLRC4はNLRファミリーのメンバーであり、2つの共通の特徴によって特徴付けられます。1つ目はヌクレオチド結合オリゴマー化ドメイン（NOD）で、リボヌクレオチドリン酸（rNTP）に結合し、自己オリゴマー化に重要な役割を果たします。^[37] 2つ目はC末端ロイシンリッチリピート（LRR）で、他の受容体（TLRなど）または場合によっては微生物リガンドのリガンド認識ドメインとして機能することができます。^[5] NLRP1は上皮バリア（ケラチノサイトおよび気管支上皮細胞を含む）で最も多く発現しています。NLRP3は骨髄細胞（単球、マクロファージ、好中球、樹状細胞）で最も多く発現しています。NLRC4は骨髄細胞、アストロサイト、腸上皮細胞などの細胞タイプで最も多く発現しています。^{[38] [39] [40]} 

NLRP1インフラマソームは、最初に同定され、広範囲に研究された。NODとLRRに加えて、NLRP1の構造は、N末端にPYD、FIINDモチーフ、C末端にCARDで構成されており、他のインフラマソームセンサーと区別するのに役立っている。^{[2] [41]}ヒトにはNLRP1タンパク質が1つしか存在しないが、マウスゲノムにはNlrp1の3つのパラログ（NLRP1A、B、C）があり、マウスNLRP1Bインフラマソームは、ASCの有無にかかわらずカスパーゼ1のリクルートメントによって形成される。^[42]プロカスパーゼ1のリクルートメントと切断は、下流のカスパーゼ1媒介経路を活性化することができる。^[27]

様々な刺激がNLRP1の活性化に関連している。^{[43] [27]マウスのNLRP1BとラットのNLRP2は、}炭疽菌の致死毒素に反応することがわかった。 ^[2]炭疽菌の致死因子はNLRP1Bをタンパク質分解的に切断し、受容体のユビキチン化とプロテアソームによる分解を引き起こす。この分解により切り取られたC末端断片が生成され、その後、非共有結合的にタンパク質の残りの部分に結合する。この段階で、C末端断片のCARDがインフラマソームの組み立てに利用可能になる。^[15]これまでのところ、プロテアソーム分解に基づくこの活性化メカニズムは、このインフラマソームに特有のものである。^[15] NLRP1活性は、休止細胞でNLRP1活性と結合して阻害する抗アポトーシスタンパク質Bcl-2とBcl-x(L )によって制御される。 ^[44]

NLRP3は最もよく研​​究されているインフラマソームセンサーの1つです。NLRP3の構造は、PYDとNODおよびLRRドメインで構成されています。PYDを使用してASCをリクルートし、各細胞で7つのNLRP3分子を含む単一のオリゴマーを形成することで、カスパーゼ1の活性化を引き起こします。NLRP3は直径約2μmで最大のインフラマソームとして認識されています。^{[45] [46]}

NLRP3オリゴマー化は、結晶性物質（例えば、尿酸ナトリウム（MSU）結晶）、ミョウバン、アスベスト、カルシウム流入、ミトコンドリア活性酸素種（ROS）、細胞外ATPなどのDAMPなど、多数の多様な刺激によって活性化される。^{[2] [47] NLRP3インフラマソームは、}インフルエンザAなどのウイルス、^[48]淋菌などの細菌、^[30]ニゲリシンやマイトトキシンなどの細菌毒素、^[1]アスペルギルス・フミガトゥスなどの真菌などの病原体からのPAMPに反応して集合することも知られている。^[49]

多くのNLRP3活性化因子は細胞からの細胞質カリウム流出を誘導し、十分に低い細胞質カリウム濃度は、他の刺激がない場合でもNLRP3活性化を引き起こすことができる。^[2]しかし、ミトコンドリアを標的とする小分子を使用するか、または他のメカニズムを介して、カリウム流出とは無関係にNLRP3インフラマソームの活性化が起こることもある。^{[50] [7]}さらに、コレステロールとMSU結晶はNLRP3インフラマソームを活性化し、IL-1β産生の増加につながる。^{[20] [51]}  このプロセスは、これらの結晶が細胞内に蓄積するアテローム性動脈硬化症と痛風では阻害されると考えられている。また、二酸化チタン、二酸化ケイ素、アスベストなどの無機粒子がインフラマソームを活性化できることも確認されている^。[52] NLRP3インフラマソームの活性化は、様々な病原体やストレス信号に対する強力な炎症反応につながる一方で、^[27] NLRP3インフラマソームの活性化は睡眠調節に役割を果たす可能性も報告されている^。[53]さらに、最近の研究では、NLRP3インフラマソームを介した神経炎症が脳内出血後の二次的な脳損傷に関与していることが示唆されている。^[54]

NLRP3インフラマソームは、ZBP1-、RIPK1-、NLRP12-PANオプトソームを含むいくつかのPANオプトソームの必須構成要素でもある。^[55]

NLRC4は現在、インフラマソームを組み立てることが知られているNLRCファミリーの唯一のメンバーです。NLRC4はCARDとNODおよびLRRドメインで構成され、アダプタータンパク質ASCまたはプロカスパーゼ1を直接リクルートします。^[56] NLRファミリーのアポトーシス阻害タンパク質、またはNAIPは、NLRC4インフラマソームの活性化を促進するセンサーとして機能するために重要です。^[57]

NAIP / NLRC4インフラマソームは、いくつかの病原体に対する宿主防御に関与している。^{[58] [59]マウスでは、NAIPは細胞質内の細菌PAMPに結合することで活性化される。細菌PAMPは、細菌}タイプ3分泌システム（T3SS）の桿体（NAIP2）と針状体（NAIP1）成分、および鞭毛の分子構成要素であるフラジェリン（NAIP5および-6）によって提供される。ヒトは、針状体成分に特異的に反応する単一のNAIPを有する。^{[60] [2]}リガンド結合後、NAIPはNLRC4と相互作用してNLRC4インフラマソームの組み立てを開始し、次にCARDを介してプロカスパーゼ1をリクルートして活性化する。^{[60]実験的証拠は、}パルミチン酸が細菌の不在下でNLRC4インフラマソームを誘導する可能性があることを示している。^[58]

NLRC4インフラマソームは、サルモネラ菌やシトロバクター・ロデンティウムなどの腸内細菌感染の初期段階で上皮内細菌集団を制限するのに重要な、よく知られた上皮インフラマソームです。^{[61] [62]}細胞内細菌はインフラマソームを活性化し、その結果、感染した上皮細胞を上皮から標的として排除し、細菌負荷を軽減します。上皮細胞排出として知られるこのプロセスは、上皮バリアの完全性を損なうことなく発生します。さらに、NLRC4インフラマソームは、腫瘍誘発細胞の排除を誘発することにより、大腸癌（CRC）のマウスモデルで腫瘍負荷を軽減することがわかりました。^{[61] [62]}

AIM2 、ピリン、IFI16などはインフラマソームを形成する非NLRメンバーです。

AIM2インフラマソームは細胞質のdsDNAを感知し、DNAウイルスや細胞内細菌感染に対する宿主防御に重要な役割を果たします。^{[24] [23]} AIM2はN末端PYDとC末端HINドメインで構成されています。両方のドメインは相互作用して分子を自己阻害状態に維持します。dsDNAが結合すると自己阻害が解除され、AIM2オリゴマーの形成につながります。^[63]これらのオリゴマーは、PYD間の接触を通じてアダプターASCをリクルートします。これは、AIM2インフラマソームの組み立てと活性化に必要です。^[63]その結果、プロカスパーゼ1がインフラマソーム複合体にリクルートされ、強力な自然免疫応答とピロプトーシス細胞死を引き起こします。^[64]

AIM2は主に腸管やリンパ組織、B細胞、形質細胞、後期精子細胞、初期精子細胞、シュワン細胞などの細胞型で発現している。^[65] AIM2は、インフラマソーム依存性および非依存性経路を介して、炎症、自己免疫疾患、癌、感染に対する宿主防御に重要な役割を果たしている。^{[66] [67] [64]さらに、AIM2インフラマソームは、ピリンおよび}ZBP1とともにAIM2-PANオプトソーム複合体の不可欠な構成要素としても機能し、F. novicidaおよびHSV1に応答してPANoptosisおよび宿主防御を促進する。^[68]

AIM2と同様に、IFI16（IFN誘導性タンパク質16）はPYHINファミリーに属します。ヒトのIFI16とマウスの相同遺伝子IFI204は、細菌やウイルス感染時のIFN産生の調節に重要な役割を果たします。^{[2] [69]} AIM2とは異なり、IFI16は核DNAセンサーです。^[15]ウイルスDNAを感知すると、IFI16はASCと相互作用してカスパーゼ1をリクルートし、HIV感染に反応してCD4 ⁺ T細胞を死滅させます。^[70]

ピリンは、細菌毒素やエフェクタータンパク質に反応してインフラマソームの組み立てを調整する自然免疫センサーであり、病原体によって引き起こされる細胞骨格のダイナミクスの変化を検出します。^[2]ピリンの発現は、顆粒球、好酸球、単球、樹状細胞などの自然免疫系の細胞に特異的です。^[71]ピリンは特に、細菌因子によるRho GTPase RHOAの不活性化を検出します。 ^[2] RHOAが不活性化されると、ピリンはN末端PYDを介してASCと同型結合し、オリゴマー化によってASCスペックと呼ばれるマイクロメートルサイズのアセンブリを形成し、最終的にカスパーゼ1を活性化します。これにより、IL-1βなどの炎症性サイトカインが放出されます。^{[72] [73]}

非標準的なインフラマソームはカスパーゼ1とは独立しており、マウスではカスパーゼ11を、ヒトではカスパーゼ4と5を活性化します^[2]。細胞内LPSは敗血症や敗血症性ショックにおいて重要な役割を果たす原型PAMPです。これにより、孔形成タンパク質GSDMDの切断によるピロプトシス細胞死が開始され^[15]、標準的なNLRP3インフラマソームの二次活性化とサイトカインの放出が起こります。^{[74] [2] [35] [14]}

非標準的なインフラマソームの主な機能は、グラム陰性細菌に対する防御を助けることであり^[11]、また、アラーミン、DAMP、標準的なNLRP3インフラマソーム依存性サイトカインを放出して病原体を排除し、近隣の細胞に警告を発することである^[75] 。しかし、標準的なインフラマソームと非標準的なインフラマソームの活性化の効果は類似している。

LPSに加えて、他の特定のトリガーが非標準的なインフラマソームを代替的に活性化できることを示唆する証拠があります（カスパーゼ-11を介して）。^[74]非標準的なインフラマソームはエンドトキシン血症と敗血症において重要な役割を果たしており、その成分は臨床介入の貴重な標的となっています。^{[74] [76] [77]}

インフラマソームは、炎症反応を開始し、炎症性サイトカインを活性化および放出し、ピロプトーシスを誘導することによって宿主防御を制御する、自然免疫システムの重要な構成要素である。^[2]インフラマソームとその構成要素は、自然免疫炎症性溶解性細胞死の別の形態であるPANoptosisの実行にも関与している。^[78]

マクロファージなどの特殊な自然免疫細胞に加えて、いくつかの研究ではさまざまな上皮インフラマソームが調べられ、免疫防御におけるその役割が強調されている。^[61]上皮は物理的な障壁として機能するだけでなく、病原体との最初の接触時に防御反応を開始する。さまざまなインフラマソーム成分がさまざまな上皮組織で発現していることが判明している。^{[62] [ 79 ] [61]}上皮障壁での自然免疫成分の発現は病原体の検出を容易にする。病原体の侵入時にこれらの障壁を突破するには、毒性因子の発現とPAMPの露出が必要であるためである。しかし、感染の後の段階で病原体が専門免疫細胞と相互作用すると、これらの因子がダウンレギュレーションされる可能性がある。^[62]上皮インフラマソームの研究は、主に腸粘膜に焦点を当ててきた。インフラマソームは、膀胱上皮などの他の組織でも特定されている。^[62]

マウスのカスパーゼ-11は主にマクロファージで発現しているが、ヒトのカスパーゼ-4は腸管上皮細胞で高度に発現している。^{[62]ヒト上皮細胞は、}サルモネラ、赤痢菌、大腸菌などの腸管病原体に感染すると、上皮NAIP/NLRC4インフラマソームの場合と同様に、カスパーゼ-4依存性、カスパーゼ-1非依存性の細胞死および細胞排出を示す。^[62]さらに、上皮細胞では細胞質LPSによってIL-18産生が誘発される可能性がある。^[62]

侵入病原体に対する反応として上皮インフラマソームが活性化されると、感染細胞だけでなく、局所的および全体的レベルで他の細胞型とのコミュニケーションにも大きな細胞自律的影響が及ぶ。^[62]インフラマソーム活性化の下流結果は、(1)上皮細胞死、(2)可溶性炎症誘発分子の放出、(3)エフェクター細胞の募集と活性化の3つのグループに分類できる。^[62]さらに、上皮インフラマソーム活性化は上皮層の収縮を誘導し^[80]、感染後期の完全性を維持する。^[81]

感染細胞を排除しながらもバリアの完全性を保つには、上皮バリアにおけるインフラマソームの活性化を正確にバランスさせる必要がある。^[62]インフラマソームの活性化は、直接的かつ細胞自律的な方法で上皮細胞死を引き起こすだけでなく、他の死を誘発する細胞タイプの局所的なリクルートメント、つまり炎症を引き起こし、感染細胞と非感染細胞の両方を排除する上皮ターンオーバーの促進をもたらす。好中球は、NK細胞や肥満細胞とともに、病原体が上皮バリアを突破した後に感染組織に浸潤する重要な自然免疫エフェクター細胞である。好中球は病原体を固定して排除し、IFN-γやIL-22などの炎症性メディエーターを分泌し、ピロプトーシスマクロファージ内に閉じ込められた微生物を排除する。^[62]

インフラマソーム依存性のIL-1βとIL-18は放出され、エフェクター細胞を動員し、自然免疫応答を調整します。腸管上皮細胞によるIL-1βの産生は控えめですが、分泌されたIL-18はいくつかの細胞型によるIFN-γの産生を誘導することができます。^{[2] [62]}インフラマソームに由来するIL-18は、ナチュラルキラー細胞を動員し、そのエフェクター機能を刺激し、IFN-γを分泌して他の炎症細胞を動員することにより、自然免疫応答の初期段階を助けます。

膀胱上皮感染症に関する研究では、NLRP3インフラマソームとカスパーゼ1の影響を受けて上皮細胞から高レベルのIL-1βが分泌され、肥満細胞を動員して溶解性細胞死を誘導することが明らかになった。^[62]

インフラマソームは、炎症性疾患（肝疾患、炎症性腸疾患、関節リウマチ）、代謝障害（肥満、2型糖尿病、動脈硬化）、心血管疾患（虚血性および非虚血性心疾患）、神経疾患（パーキンソン病、アルツハイマー病、多発性硬化症、筋萎縮性側索硬化症、その他の神経疾患）、癌など、公衆衛生に大きな影響を与える病状の発症や進行に重要な役割を果たしている。 ^{[82] [83] [84]}

インフラマソーム成分の機能獲得変異は、IL-1βを介した全身性炎症を特徴とする先天性疾患群であるクリオピリン関連周期性症候群（CAPS）を引き起こすことも知られています。しかし、特定の状況下では、インフラマソームシグナル伝達は感染症に有益であり、腫瘍の増殖を阻害することもできます。 ^{[83] [85] [86] [87]} NLRP3、^{[88] [89]} AIM2、^{[90] [91]}およびNLRC4 ^[92]インフラマソームの腫瘍抑制効果は広く認識されています。

アナキンラ、カナキヌマブ、リロナセプト、IL-18結合タンパク質など、いくつかの薬剤が、CAPSなどの自己炎症性疾患やインフラマソームが過剰活性化する可能性のある他の状態の治療のために開発されています。これらの薬剤は、インフラマソーム活性化の下流エフェクター、すなわちIL-1βとIL-18を標的としています。^{[16] [93] [94]} NLRP3インフラマソームがいくつかの疾患に特異的に関与していることから、効率的なNLRP3阻害剤の発見が加速しています。^{[ 95] [96]}しかし、これらの進歩にもかかわらず、現在までFDAによって承認された臨床使用のための特定のNLR阻害剤はありません。