方兴未艾（下） | 与一起见证免疫领域20年之大发现

撰文 | 兮

责编丨迦溆

书接上回，我们继续介绍Nature Reviews Immunology二十周年纪念刊中提到的20个Journal Club的后面10个，这一期比上一期字数更多（多了近三分之一，上下加起来共计约3万字），内容也更多，当然重要性也更大。另外，欢迎大家在文末选出最喜欢的工作（可多选）。

上期内容请查看链接：

『珍藏版』方兴未艾（上） | 与Nature Reviews Immunology一起见证免疫领域20年之大发现

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cGAS-STING通路

这一Club来自于Swiss Federal Institute of Technology的Andrea Ablasser，题目为A billion-year-old mechanism of innate immunity uncovered。

病毒是地球上最早定居的居民，从诞生开始似乎就不怎么受待见（当然没有病毒也不会有现在丰富多彩的地球），直到有正儿八经的生命体之后，病毒和这些生命体之间的斗争也愈发激烈了。在有人类之后，病毒一直是人类的心腹大患，也是最致命的杀手。尤其是2019年底爆发的新冠病毒，更是让普罗大众瑟瑟发抖。那么人类在和病毒斗争的过程中，究竟进化出了什么样的武器呢？

这一武器就是人类强大的免疫系统，而抗病毒免疫的核心则是I型干扰素。I型干扰素是由被病毒感染的细胞所产生，其可以抑制病毒在细胞内的复制和传播。这一机理在上世纪50年代的时候，已经被发现，并且当时人们也知道I型干扰素在抗病毒中的关键作用，然而细胞是如何产生I型干扰素的却不甚清楚。

直到2013年，西南医学中心的陈志坚在Science上以背靠背的形式发表了两篇文章Cyclic GMP-AMP Is an Endogenous Second Messenger in Innate Immune Signaling by Cytosolic DNA和Cyclic GMP-AMP Synthase Is a Cytosolic DNA Sensor That Activates the Type I Interferon Pathway，确定了抗病毒信号通路—cGAS-STING通路，人们才得以解答上述问题（严格来说，这两篇文章是2012年12月20日在线发表，只是刊登在了2013年的2月刊上）。

在第一篇文章中，陈志坚团队发现了细胞感受胞内DNA依赖的是第二信使cGAMP（Cyclic GMP-AMP，环化GMP-AMP），cGAMP可与STING蛋白结合，进而激活IRF3和诱导干扰素β的产生。至此，抗病毒免疫的核心通路呈现在了人们面前。令人惊奇的是，在这一过程中的核心分子不是蛋白质而是一种环状二核苷酸。在第二篇文章中，陈志坚团队回答了其中另一个核心问题—cGAMP是如何产生的，即细胞内的一种酶—cGAMP合成酶（细胞里的好多酶都是以底物的名字+合成组成），即大名鼎鼎的cGAS（cGAMP synthase），cGAS与胞质内的DNA结合诱导产生cGAMP。因为这一发现，陈志坚教授于2019年获得了生命突破奖（详见BioArt报道：热烈祝贺陈志坚、庄小威获得『生命科学突破奖』）。

（图：DNA Sensor，来自于同期Luke A. J. O’Neill的观点文章）

比较可惜的是本Club的Andrea Ablasser，在陈志坚发表背靠背Science的3个月零10天后，即2013年3月30日，Andrea以第一作者身份在Nature发表了文章cGAS produces a 2′-5′-linked cyclic dinucleotide second messenger that activates STING。做的内容其实和陈志坚的两篇Science差不多（其实这样的案例在学术界不胜枚举，虽然听上去有些悲伤，因为记住了James就很难记住Ablasser了 ）。

有了大牛指明方向，cGAS-STING或者说抗病毒免疫进入到了爆发式发展的阶段。里面也有很多问题得到了相继解决，比如除了cGAS是否还有其它DNA Sensor，是否有RNA Sensor（详见BioArt报道：Science亮点 | 曹雪涛团队发现新型细胞核内DNA感受器），cGAS在不同物种之间的保守性问题（详见BioArt报道：Cell亮点 | 周稳博士等揭示首个人类cGAS感知细胞质DNA长度特异性的分子机制，Nature背靠背 | 果蝇cGAS-like核酸感受器的鉴定；Nature深度|细菌中也有cGAS？哈佛科学家发现一大类cGAS/DncV样核苷酸转移酶），cGAS-STING通路中关键蛋白的结合机制（结构生物学发挥了重要的作用，详见BioArt报道：突破！邵峰点评丨陈志坚/张学武/白晓晨合作团队的重大成果——揭示了cGAS-STING信号转导核心步骤的分子机制，Nature | 李平卫团队揭示STING招募和激活TBK1的分子机制）等等。另外，还有个重要的问题，外源进入细胞的DNA可以诱导产生干扰素，那么对于细胞核内的DNA外溢进入细胞质后为什么不会产生干扰素呢？2020年9月9日，同一天有3篇Nature和2篇Science回答了这一问题（详见BioArt报道：3篇Nature+2篇Science | 李平卫/刘文设等揭示细胞核内cGAS和核小体结合并抑制其催化活性的分子机理,Nature还专门推迟了自己的文章一天，以便和Science的这两篇同时在线），2021年，陈志坚团队也发表了类似工作（详见BioArt报道：Science | 陈志坚团队揭示cGAS活性被选择性抑制的机理，另外国内学者也有相关工作发表，武汉大学舒红兵院士团队于2020年4月在Cell Discovery杂志上发表的相关的研究工作，此外还有一篇生物物理所章新政与许瑞明合作团队的工作发表在Cell Research杂志）。

cGAS-STING不仅与病毒免疫或者说先天免疫有关，与其它疾病也都有关系，比如肿瘤（Cancer Discovery | 肿瘤细胞通过水解cGAMP促进转移和免疫逃逸，Science背靠背 | 新型非核苷酸类STING激动剂具有良好抗肿瘤效果）、神经性疾病（详见BioArt报道：Nature | 闫楠团队报道不依赖cGAS的 STING 激活——STING-IRF3信号“启动-增强” C型尼曼匹克氏症，Cell亮点 | 阻断天然免疫或可治疗“渐冻症”——STING抑制剂有了新的重大用途）。

这一自原核生物进化至今并且相对保守、复杂的感受外界物质的信号通路，在这十年内一直吸引着无数科研工作者，想必也会在下一个十年、二十年有着更多的发现。

如果基于cGAS-STING信号通路的发现最后能真正做出在临床上广泛使用的药物来，那离诺奖也不远。诚然，做成药或许比发现通路更艰难。

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消炎

这一Club来自University College London的Derek W. Gilroy，题目为Resolving inflammation。

外来病原体可以诱导炎症的产生，而我们的身体必然不会放任炎症不管，这一对抗炎症的过程就是“消炎”。消炎是个“主动”的过程，包括清理外来病原体、分解促炎因子、诱导免疫细胞死亡、清理死亡的免疫细胞等。关于整个消炎过程，已经有很多文章发表，比如1999年发现的环氧化酶2即COX2在炎症早晚期分别扮演着促炎和消炎的作用。2020年在大综述期刊Nature Reviews Molecular Cell Biology上有一篇关于胞葬的文章（The clearance of dead cells by efferocytosis）详细总结了识别死细胞、清除死细胞的机制。

那么促炎与消炎这两个过程是否有更深层的关联？2013年在Science上的两篇背靠背文章给我们进行了解答。这两篇文章分别是加州大学洛杉矶分校David Brooks的Blockade of Chronic Type I Interferon Signaling to Control Persistent LCMV Infection和Scripps研究所Michael Oldstone的Persistent LCMV Infection Is Controlled by Blockade of Type I Interferon Signaling。这两篇文章均使用LCMV（淋巴细胞性脉络丛脑膜炎病毒）感染小鼠模型，发现LCMV可以诱导IFNα和IFNβ的产生，进而造成病毒特异的CD4 T细胞免疫功能受损，导致淋巴结构失调和炎症。如果使用抗体中和IFNα和IFNβ则会扭转上述免疫缺陷。这两项工作揭示了抑制促炎症，可以促使“消炎”和适应性免疫，从而消除感染，将促炎与消炎结合在了一起。

目前，治疗免疫失调性疾病面临着如何将促炎转变为消炎的挑战，这些研究能否给予临床足够的证据，仍需要进一步揭示。

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细胞焦亡

这一Club来自于NIBS的邵峰，题目为Gasdermins: making pores for pyroptosis。

在“第十届棒棰岛肿瘤会议”上，邵峰院士获得了“孙思邈肿瘤研究治疗杰出贡献奖”。图为詹启敏院士（右一）和刘强教授（左一）为邵峰老师颁奖（可能读者朋友对这个奖很陌生，但是这个奖此前颁发给了Tak Mak、 Thomas Roberts 、王存玉、 洪明奇、王晓东、 陈列平、 陈志坚和董晨）。摄影：周学迅

图为邵峰院士在棒棰岛论坛做特邀报告（卖个关子，讲了明天要发表的一个有故事的工作）。摄影：周学迅

2000年10月，华盛顿大学的Molly A. Brennan和Brad T. Cookson在Molecular Microbiology杂志上发表了一篇文章Salmonella induces macrophage death by caspase-1-dependent necrosis。因为彼时，大家对于细胞死亡的认知仅限于病理性细胞死亡（即坏死）和生理性细胞死亡（即程序性死亡，也称为凋亡），因此在这篇文章中作者也用了“坏死”这一词，但是在文章中，作者们详细研究了沙门氏菌对于小鼠巨噬细胞所造成的影响，发现不同于细胞凋亡（由Caspase-3激活诱导，DNA片段化、核固缩，在死亡过程中膜一直保持完整），被处理的巨噬细胞则出现膜失去完整性、DNA片段呈现弥散状（下图C、D）、Caspase-3没有被激活，最重要的是发现了如果抑制Caspase-1则会阻滞被沙门氏菌感染的巨噬细胞死亡，由此推断推断这一细胞坏死不同于细胞凋亡，并且与炎症有关（因为Caspase-1可活化IL-1），值得一提的是，在这篇文章中尽管作者详细比较了这种死亡方式与凋亡的区别，但是在文章中作者并没有使用“pyroptosis焦亡”这一词，而是保守性地使用了“necrosis坏死”。另外，还需要说明的是Caspase-1与细胞死亡并不是Brennan和Cookson首次发现，在上世纪90年代就有多个组分别进行了报道，但这些组使用的是“apoptosis凋亡”这一词，也就是说不同的组分别用了“apoptosis”和“necrosis”对同一件事进行了描述。我们都知道那句谚语“一山不容二虎，除非一公一母”，同理，同样的细胞死亡方式也不能即叫“坏死”也叫“凋亡”。

4个月之后，即2001年2月，迈阿密大学医学院的Lawrence H. Boise和Carleen M. Collins在Trends in Microbiology（第9卷第2期）上发表了一篇观点文章Salmonella-induced cell death: apoptosis, necrosis or programmed cell death?比较了以往课题组所报道的不同外来病原体所诱导的细胞程序性死亡，这种死亡与凋亡是明显不一样的，同时也highlight了这样一句话“The induction of bacteriaassociated apoptosis might not reflect a host response to infection but rather a bacterial strategy to promote disease”（这种细菌所诱导的细胞死亡方式也许并不是宿主对于感染的反应而是细菌产生疾病的一种策略），但是Boies和Collins也并没有使用“pyroptosis焦亡”这一词（也就是说BioArt在去年的一篇文章，见最后一段中的链接，中提到的焦亡历史在这点上是有点小错误的）。

作为回应，Molly A. Brennan和Brad T. Cookson在Trends in Microbiology（第9卷第3期）上发表了News & Comment文章Pro-inflammatory programmed cell death，正式把这一死亡方式定义为了“pyroptosis焦亡”，取用希腊语词根“pyro-”（与fire或fever有关），用来代表细胞死亡中发生炎症进展的特征，结合-ptosis词根，组合而成命名为“Pyroptosis”，即焦亡，也提到了这一程序性、炎症性死亡方式在免疫系统、中枢神经系统、心血管系统中都有发现，意味着焦亡在这些系统中都扮演着重要的作用。

之后呢，除了Caspase-1，还发现了小鼠中Caspase-11和人中的Caspase-4与-5在LPS的刺激下同样可以诱导细胞焦亡，见下图中的Caspase family表格。

（图：Caspase家族一览，来自于wikipedia）

插一段，当“焦亡”这一次刚命名的时候，我们这篇故事的主角还在密歇根大学医学院Jack Dixon实验室攻读生物化学博士进行病原微生物的研究，在博士期间还以第一作者身份发表了一篇Cell和一篇Science（见下图），并且还在2003年获得了Harold M. Weintraub Gradute Student奖（该奖每年只发给北美和欧洲生物领域里15名博士生）。Dixon于2000年当选为美国科学院院士，2003年（也是邵峰博士毕业那一年）搬到了加州大学圣地亚哥分校（邵峰也是在博士毕业之后于2003年-2004年在UCSD进行博士后训练，其实只是过渡，也可以说没有经过博后训练就回NIBS开实验室了）。

我们再回到焦亡本身。在细胞凋亡领域，科学家们并没有发现一个单一的Caspase底物来执行凋亡这一活动。那么在焦亡中，是否也不存在单一的半胱氨酸蛋白酶底物来执行功能呢？在焦亡被命名的14年后，2015年，邵峰和基因泰克的Vishva M. Dixit在Nature上以背靠背的形式分别发表了文章Cleavage of GSDMD by inflammatory caspases determines pyroptotic cell death和Caspase-11 cleaves gasdermin D for non-canonical inflammasome signalling，揭示了gasdermin D（GSDMD）是Caspase诱导细胞焦亡所必须的，不同的是Dixit只证明了GSDMD是Caspase-4/11的，而邵峰是做了Caspase-1/4/5/11的。

GSDMD是如何发挥焦亡功能的呢？2017年，包括邵峰、Dixit、吴皓等在内的课题组揭示了其具体的打孔机制。GSDMD本身是没有活性的，其活性结构域位于N段，在全长结构下，C段会抑制N段的焦亡活性，当Caspase水解切割后可以产生GSDMD-N和GSDMD-C两个肽段。其中GSDMD-N可以结合膜脂质，破坏其完整性，使胞膜破裂引起焦亡。

（图 GSDMD打孔电镜图，来源于邵峰2016年的Nature）

至此，一条比较清晰的焦亡示意图呈现了出来。随着细胞焦亡分子机制的解析及其下游事件逐步引起更多同行的关注，近两年国内外相关的研究工作逐步增多，围绕细胞焦亡“挖矿”成了最近这一段时期的时风。例如，中南大学吕奔团队阐明了脓毒症中Caspase-11通过活化其底物GSDMD来诱导弥散性血管内凝血的形成，揭示了免疫与凝血的内在联系（Blood | 吕奔团队揭示脓毒症诱发弥散性血管内凝血的机制；Immunity | 吕奔团队解密细菌感染诱发凝血反应的机制 ）；南京医科大学免疫学系的杨硕教授团队等揭示了炎症小体下游焦亡效应分子GSDMD通过调节cGAS介导的炎症反应来控制结肠炎发生的新机制以及报道了细胞焦亡效应蛋白在多发性硬化症中的致病机制（Sci Adv丨杨硕/戴略合作揭示焦亡效应分子GSDMD调节肠炎发生新机制；JEM | 杨硕/胡刚/王冰微合作发现细胞焦亡效应分子在多发性硬化症中的致病机制）；2020年年初，中国医学科学院基础医学研究所的黄波教授团队研究展示了CAR-T细胞激活靶细胞Capase-3并活化gasdermin E GSDME诱导癌症靶细胞发生细胞焦亡；进而同时释出ATP、HMGB1等因子，这些因子激活巨噬细胞内的caspase-1-GSDMD和MAPK-NF B炎症通路，进而引起炎症因子风暴。这项研究为解决CAR-T疗法的副作用提供了潜在的方法，为优化设计新一代更加安全高效的治疗癌症的CAR-T提供思路。（亮点推荐 | CAR-T疗法副作用或解决——黄波教授团队揭示CAR-T疗法引起炎症因子风暴的机理）；2020年5月4日，中科院上海巴斯德研究所的刘星研究员与美国哈佛大学医学院Judy Lieberman教授及吴皓教授合作报道了通过高通量筛选发现靶向GSDMD的小分子抑制剂——双硫仑(disulfiram)，并揭示该小分子化合物对GSDMD成孔作用的抑制机理（Nat Immuno | 刘星/Judy Lieberman/吴皓合作揭示脓毒症治疗新候选药物）；2020年围绕细胞焦亡最为重要的工作要属两篇背靠背发表在Nature上的文章（Judy Lieberman 组的张志斌博士一篇，邵峰和北大刘志博团队合作一篇），揭示了细胞焦亡在肿瘤免疫方面的全新功能（Nature背靠背 | 张志斌/刘志博/邵峰等揭示细胞焦亡在肿瘤免疫方面的全新功能）；另外，对于细胞焦亡领域来说，还有一项更新认识的重要发现是，2020年4月17日，邵峰课题组在Science发表文章，发现细胞毒性淋巴细胞（如CTLs，NK细胞等）中的丝氨酸蛋白酶Granzyme A可以经穿孔素（perforin）进入靶细胞，通过水解Gasdermin B（GSDMB）分子Lys229/Lys244位点诱导靶细胞发生焦亡（更新认识丨邵峰组Science报道细胞毒性淋巴细胞诱导细胞焦亡的机制），值得一提的是在这篇Science文章发表之前不久的Judy Lieberman 组的张志斌博士那篇Nature论文里面也发现了类似的结论，聚焦的是另一个丝氨酸蛋白酶Granzyme B，验证了Granzyme B对GSDME 的切割以及由此诱导的依赖于GSDME 的细胞焦亡，共同改写了焦亡只能经Caspase活化的定论。值得一提的是，2020年初，中科院生物物理所丁璟珒课题组和邵峰组合作在Cell上发表题文章，从结构学角度发现了caspase-1/4/11-GSDMD复合物形成中的关键特点（Cell | 丁璟珒/邵峰合作揭示细胞焦亡中Caspase与GSDMD结合的结构学特点）。细胞也不是被动地承受焦亡，2019年瑞士巴塞尔大学Petr Broz课题组题（Science丨科学家发现对抗焦亡的膜修复分子机器）和2020年麻省大学医学院Katherine A. Fitzgerald课题组（Science | 延胡索酸通过共价修饰Gasdermin蛋白抑制焦亡）分别发表Science文章揭示细胞逆转或阻滞焦亡的方式，以及近年德克萨斯大学西南医学中心的Neal M. Alto团队揭示细菌应对GSDMD的策略（Cell | “道高一尺，魔高一丈”：福氏志贺菌已发展出泛素化降解GSDMB的策略来抵抗NK细胞的杀伤作用）。今年4月，吴皓/阮建斌团队进一步用结构学解析了GSDMD打孔的机制，丰富了我们的认识（Nature | 吴皓/阮建彬合作报道GSDMD的成孔机制及白介素1的释放模型）。今年6月，巴斯德所的刘星与哈佛大学医学院Judy Lieberman在Science上发文揭示焦亡的关键因子—Rag-Ragulator复合物（Science丨刘星团队等揭示耶尔森菌诱导细胞焦亡关键机制）。

其实，关于邵峰院士和焦亡的故事，BioArt曾在2020年发表过一篇珍藏版文章，编辑tac.g同学花了近两年的时间整理了从ICE发现到2020年间30年内关于焦亡的历史，这篇推文经过了邵峰院士的核对，远比现在的这篇要丰富和精彩，感兴趣的同学请移步（详见BioArt报道：『珍藏版』特别推荐丨全景式展现细胞焦亡研究历程——在细胞死亡的研究中，从来不缺少有趣的故事，本推文中的部分内容也是参考或者直接拷贝了该链接）。这也是在（上）中提到的来自中国本土的传世之作。

James Chen 2013年（准确的说应该是2012年）的雄文迄今在谷歌学术上被引超过2500次，邵峰2015年的本土传世之作迄今被引超过了2100，火热程度可谓相当。学术上，二者惺惺相惜，笔者曾邀请邵老师点评James的工作，而James的博后也多次提到他们过去在Journal Club上分享过邵老师的工作。

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免疫检查点阻断—抗CTLA-4

这一Club来自于纪念斯隆凯瑟琳癌症研究中心Jedd D. Wolchok，题目为Checkpoint blockade: the end of the beginning。

1996年，加州大学伯克利分校的James Allison在Science上发表了文章Enhancement of Antitumor Immunity by CTLA-4 Blockade，揭示了使用抗体阻断负责维持免疫稳态的共抑制分子CTLA-4可以有效抑制肿瘤。这一工作促使了免疫检查点阻断剂的研发。这一工作也帮助了James Allison获得了2018年的诺贝尔生理或医学奖。

（图. 来源于Allison的Science）

2003年，Steven A. Rosenberg等在PNAS上发表文章Cancer regression and autoimmunity induced by cytotoxic T lymphocyte-associated antigen 4 blockade in patients with metastatic melanoma，报道了CTLA-4阻断的初步临床结果，14名转移性黑色素瘤患者接受了抗CTLA-4治疗，其中3名患者达到了部分缓解或者完全缓解。同年，哈佛医学院的Glenn Dranoff也在PNAS上发表了文章Biologic activity of cytotoxic T lymphocyte-associated antigen 4 antibody blockade in previously vaccinated metastatic melanoma and ovarian carcinoma patients，报道了类似的结果。

这些基础加临床研究最终促使了FDA于2011年批准了第一个抗CTLA-4的免疫检查点抑制剂—ipilimumab。仅仅几年之后，PD-1也被证明可以发挥抗肿瘤作用，并且相关药物也被FDA批准。

如今，免疫疗法已经和手术、放疗、化疗并称为癌症的四大治疗方式。但是临床上依然后很多对免疫疗法不响应的案例，因此免疫疗法还有很多问题亟待解决，万里长征刚刚迈出了第一步。

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炎症小体

这一Club来自于德国University of Bonn的Eicke Latz，题目为The inflammasome: from bench to bedside。

病原体或者有害物质入侵、局部细胞损伤等都会导致所在组织发生变化，比如红肿热痛（炎症的典型症状）。清除这些外来物和死亡的细胞，都需要自身免疫细胞的活化，一旦清除行动失败，则会导致严重的后果，甚至会导致整个组织的坏死。

早在二十世纪中叶，人们就已经知道当机体稳态出现问题时，被激活的免疫细胞会通过释放某种蛋白质警告其它细胞。1977年，美国NIH的Charles Dinarello在PNAS上发表文章Human leukocytic pyrogen: purification and development of a radioimmunoassay，利用纯化的人外周血单个核细胞分泌的IL-1β可以控制兔子的炎症。这一研究就促使人们去探寻背后的分子机制，尤其是各种传感器的识别。IL-1受体因其胞内结构域带有TIR结构域，为Toll样受体家族的发现铺平了道路，关于IL-1β如何水解导致了先天性感受器NOD样受体家族的发现。

然而，关于胞内无活性的IL-1β以及其它相关的无活性蛋白被激活并从细胞内释放出来，却不是很清楚。直到2002年，瑞士University of Lausanne的Jürg Tschopp团队在Molecular Cell上发表了一篇文章The inflammasome: a molecular platform triggering activation of inflammatory caspases and processing of proIL-β，发现在细胞内和无细胞系统中均证实胞内受体NALP1（即NLRP1）与接头蛋白ASC和Caspase-1可以组成复合体，参与对IL-1β的活化，并把这个复合体称为炎症小体。

炎症小体这一发现是非常重要的，之后相继有实验室阐明其它炎症小体、触发因子、在炎症中的作用等。

炎症小体受体是一类可以在胞内识别病原（PAMPs）或损伤性（DAMPs）信号的受体，如NLRs受体：当前研究最核心的NLRs受体为NLRP3，于2004年报道于Immunity，其可以受多种感染和损伤性刺激（ATP，Nigerincin，低钾等）经ASC活化Caspase-1功能，并在2018年由陈志坚课题组最终解析其活化的机制（详见BioArt此前的报道：Nature丨陈志坚组解开困扰学界多年的关于NLRP3炎症小体激活之谜，然而这个工作不是终点，围绕NLRP3的争论还有很多，未来仍然值得深入探索）；2009年，同期两篇Nature报道了IFI20X/IFI16家族成员AIM2可以识别胞内DNA病毒或者dsDNA，依赖ASC活化Caspase-1以激活炎症小体。这一类炎症小体受体依赖于接头蛋白ASC：NLRP3和AIM2这一类受体中不含有CARD结构域(Caspase Activation and Recruitment Domain)，但含有PYD结构域，其可以通过与ASC蛋白的PYD结构域结合形成speck。ASC蛋白含有PYD和CARD结构域，在炎症小体受体活化后可以通过CARD活化Caspase-1。

此外，细胞内还存在一类可不依赖ASC的，含有CARD的NLRs受体。NLRC4在2001年命名为IPAF，其上游可以识别细菌Ⅲ型分泌系统（如鞭毛）。NLRC4已含有CARD结构域，可不依赖于ASC直接结合活化Caspase-1。作为第一个被发现的炎症小体受体，NLRP1可在炭疽致死因子LF作用下发生活化，但其特殊的“功能性降解”的活化机制于近期才最终解析（详见此前BioArt的报道：Science 背靠背| 破解NLRP1炎症小体的活化之谜，中国农业大学董娜研究组和邵峰研究组合作在EMBO J上也发表了类似的研究结论：EMBO J. 丨董娜/邵峰合作揭示炭疽致死毒素激活NLRP1B炎症小体的机制）。

（图. 炎症小体部分成员及复合体组成）

这些炎症小体受体通过识别不同的感染和损伤性刺激在胞内形成炎性复合体。Caspase-1在这个复合体内活化，通过自身水解（Autoproteolysis）并形成异源二聚体，成为具有完整功能的蛋白酶（p20/p10），其继续对完成对IL-1β和IL-18的活化以及焦亡。

这一炎症小体的认知彻底改变了先天免疫领域，并引导人们对相关疾病更深入的思考。目前也有一些针对炎症小体的免疫治疗药物在开发中，让我们也期待相关的临床结果。

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表观遗传与先天免疫

这一Club来自于荷兰Radboud University Medical Center的Mihai G. Netea，题目为The epigenetic ghost of infections past。

之前，大家对于先天性免疫和适应性免疫的看法是不一样的。适应性免疫里的B细胞和T细胞像是东风系列导弹，不仅实用，而且样子还贼好看。而先天性免疫里的比如单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞等，有点像《权利的游戏》里无垢者，千篇一律，碰到病原体时启动机械化程序，拿着盾牌和长枪就排队冲出去了。

2021年，Mihai G. Netea在Cell Host & Microbe和PNAS上分别发表文章Candida albicans Infection Affords Protection against Reinfection via Functional Reprogramming of Monocytes和Bacille Calmette-Guérin induces NOD2-dependent nonspecific protection from reinfection via epigenetic reprogramming of monocytes，改变了以往的那种想法。他发现髓样细胞在每次遇到病原体时并不会以相同的方式作出应对，这些细胞可以储存这种信息以应对第二次打击。作者将这种先天性免疫细胞的“免疫记忆”称为“训练免疫（trained immunity）”，并揭示训练免疫不仅与宿主防御有关，与免疫疾病也有关系。

之后，Mihai G. Netea和其他研究团队又发表工作揭示表观遗传在先天免疫细胞（包括其祖细胞）的训练免疫中发挥了重要作用，包括组单白修饰（乙酰化、甲基化）、非编码RNA，以及代谢产物对表观重塑等。

关于训练免疫，BioArt曾经报告过部分工作。比如2018年的一篇Nature揭示训练免疫和阿尔茨海默症之间的关系（详见BioArt报道：Nature丨小鼠脑部的固有免疫记忆影响神经疾病进程）；2018年，加拿大麦克马斯特大学（McMaster University）的Zhou Xing课题组在Cell上发表了工作，揭示了一种训练免疫的新策略，即来源于T细胞的训练（详见BioArt报道：Cell丨华人学者揭示天然免疫记忆形成的新机制，启发开创新的粘膜免疫接种策略）；2020年，同时有3篇Cell以背靠背的形式共同揭示β-葡聚糖通过训练免疫抑制肿瘤（详见BioArt报道：三篇Cell | 训练免疫与抗肿瘤免疫反应和病原体感染）；2021年，洛克菲勒大学的Elaine Fuchs团队在Cell Stem Cell 上发表了一篇文章，将训练免疫这一概念外延到了干细胞中（详见BioArt报道：Cell Stem Cell | 全面阐述炎症记忆建立的表观遗传学分子机制），另外训练免疫不仅可以自身用，甚至母亲还可以将此免疫记忆传递给胎儿（详见BioArt报道：Science | 来自妈妈的保护伞：母体病原体感染可提高胎儿免疫力）；目前，训练免疫还属于一个比较年轻的领域，还有许多问题需要解决。

这个就属于有点捣糨糊了，和前面的几项相比，开始有点“断崖式下跌”的感觉。

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经典树突状细胞的谱系

这一Club来自于比利时VIB Center for Inflammation Research的Martin Guilliams，题目为The conventional dendritic cell lineage is born。

2011年诺贝尔生理或医学奖的二分之一颁给了Bruce A. Beutler和Jules A. Hoffmann，以奖励他们在先天免疫激活方面的贡献；另外二分之一颁给了Ralph M. Steinman，以奖励他发现树突状细胞（DC细胞，注：发现于1973年）和揭示其在先天免疫中的作用。DC细胞可以在外周进行巡逻，以发现有害的抗原，进而迁移至引流淋巴结中，激活初始T细胞。Steinman的篇发现DC的文章发表于1973年发表于Journal of Experimental Medicine上（见下图），题目为Identification of a novel cell type in peripheral lymphoid organs of mice. I. Morphology, quantitation, tissue distribution。

（图，来源于1973年的JEM，这是一个分离出的巨噬细胞）

但是对于DC的这一表型和功能定义，却对人们认识DC细胞带来的一定的困惑，比如，在某些条件下单核细胞来源的细胞和巨噬细胞都可以表现出DC表型，并能够激活T细胞。之后呢，随着流式细胞技术的应用，不同实验室利用表面标记物发现了不同的DC亚群（下图：现在知道的DC亚群）。

这么多的DC亚群，就会产生一个问题，他们是如何分化过来的？也就是他们的“祖宗”是谁？2007年，澳大利亚The Walter and Eliza Hall Institute的Ken Shortman和瑞士Institute for Research in Biomedicine的Markus G Manz在Nature Immunology杂志上以背靠背的形式分别发表了文章Development of plasmacytoid and conventional dendritic cell subtypes from single precursor cells derived in vitro and in vivo和Identification of clonogenic common Flt3+M-CSFR+ plasmacytoid and conventional dendritic cell progenitors in mouse bone marrow。Shortmen的研究发现了鉴定出了common DC progenitors （共树突状细胞祖细胞，CDPs)下游谱系pre-cCDs可以分化出经典CD（cCDs），而不是浆细胞样DC（pCDs）或单核细胞或巨噬细胞；Manz的研究发现common DC progenitors (CDPs)可以分化为经典CD和pCDs，而不是单核细胞或者巨噬细胞。2012年，西奈山医学院的Miriam Merad（注：这个名字下面还会出现一次）和免疫基因组联盟同样在Nature Immunology上发表了一篇文章，利用转录组（基因芯片而非测序），揭示了不同组织cCDs之间的相似性和异质性问题。2014年，包括2007年那两篇背靠背文章的两位一作在内共计9个人共同以通讯作者的身份在Nature Reviews Immunology上发表了篇观点文章Dendritic cells, monocytes and macrophages: a unified nomenclature based on ontogeny，对树突状细胞的来龙去脉进行了详细的讨论，并命名了经典CDs的两个亚群cCD1s和cCD2s（见下图）。

（图，来源于Nature Reviews Immunology）

关于经典DC的来源是否就算已经弄明白了呢？显然不是，这几年随着单细胞组学的兴起与发展，以及谱系追踪等方法，是否cCDs还可以进一步划分，以及他的来源，将会有更多的研究来逐一揭示。

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抗争与耐受

这一Club来自于斯坦福大学的David S. Schneider，题目为Immunology’s intolerance of disease tolerance。

在新冠病毒刚开始流行没有有效疫苗和药物的情况下，对于被感染的患者来说要么就与新冠病毒积极斗争（即“抗性”），要么就机体忍受体内存在一定量的病毒（即“耐受”）。是抗争还是耐受，对于宿主来说都至关重要。

2006年，David S. Schneider在Current Biology上发表了文章Akt and foxo Dysregulation Contribute to Infection-Induced Wasting in Drosophila，发现利用胰岛素可以延长感染海鱼分枝杆菌的果蝇的寿命。2007年，葡萄牙Instituto Gulbenkian de Ciencia的Maria M Mota在Nature Medicine上发表了一篇文章Heme oxygenase-1 and carbon monoxide suppress the pathogenesis of experimental cerebral malaria，发现血红素加氧酶可以在不影响病原体载量的情况下延长感染疟疾的小鼠的寿命。这两项研究似乎提醒了人们这样一个事实：宿主可以通过某种方式来提高自己对病原体的耐受，并在和病原体一起存在的情况下，改善自己的生存。

2007年，英国University of Edinburgh的Andrew F. Read在Science上发表了文章Disentangling Genetic Variation for Resistance and Tolerance to Infectious Diseases in Animals，将植物里疾病耐受的定义引申到了动物，发现不同基因背景的小鼠对于感染的耐受程度不一样。2008年，David S. Schneider还在Genetics上发表文章Identification of Drosophila mutants altering defense of and endurance to Listeria monocytogenes infection，通过正向遗传筛选发现了18个与果蝇感染抗性或者耐受相关的突变，而这些突变均与果蝇的免疫无关。这些研究也明确了一点—在分子水平上有很多与抗性和耐受相关的基因和位点。

在我们与病原体抗争的过程中，似乎除了积极消灭病原体，如何提高我们对病原体的耐受也是一种可以考虑的策略。

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大脑里的补体系统

这一Club来自于波士顿儿童医院Beth Stevens和Matthew B. Johnson ，题目为The complement cascade repurposed in the brain。

补体级联（complement cascade），也称为补体系统。补体是存在于人或脊椎动物血液或者组织液中一组不耐热的、经活化后具有酶活性的蛋白质，包括30余种可溶蛋白质和膜结合蛋白。补体可以通过不同途径进行激活，包括经典途径、替代途径、MBL途径，之后可引起免疫细胞溶解和免疫溶血。补体系统在病原体清除、先天性免疫中发挥着重要的作用。那么除了免疫功能，补体系统是否还发挥其它的功能呢？

2007年，Beth Stevens在Cell上发表了文章The Classical Complement Cascade Mediates CNS Synapse Elimination，揭示了补体系统介导突触清除，在调节大脑发育过程中突触结构稳定性以及功能稳态方面的发挥了重要功能，而这一功能与其经典的免疫功能无关。

（图：补体C3敲除后，小鼠突触清除受损）

那么，补体如何介导突触清除的呢？2012年，Beth在Neuron上发表文章Microglia Sculpt Postnatal Neural Circuits in an Activity and Complement-Dependent Manner，揭示小胶质细胞通过补体受体识别被补体标记的突触，从而进一步清除突触。另外，2018年，还在Neuron上继续发表文章CD47 Protects Synapses from Excess Microglia-Mediated Pruning during Development，发现小胶质细胞通过CD47–SIRPα信号决定吃哪些突触，放过哪些突触。

上述这些发现为病理性突触缺陷相关疾病提供了一种新的思路。比如，2016年，Beth还在Science上发表文章Complement and microglia mediate early synapse loss in Alzheimer mouse models，在阿尔茨海默症小鼠模型中发现补体系统的异常，抑制补体级联反应可以在一定程度上缓解小鼠的认知障碍。另外，Beth和Steven McCarroll在Nature上发表文章Schizophrenia risk from complex variation of complement component 4，进一步找到了人类疾病的遗传学证据，来支持他们补体在神经疾病中发挥了重要作用的观点。

2021年，上述那篇Science的一作Soyon Hong（这时已是伦敦大学学院的PI）受邀在Science10月的“神经退行性疾病”特刊中发表了一篇题为“Microglia modulate neurodegeneration in Alzheimer’s and Parkinson’s diseases” 的综述，里面详细谈及了补体系统和小胶质细胞介导的突触丧失（详见BioArt报道：Science特刊【神经退行性疾病】之四 | 阿尔兹海默症和帕金森症：小胶质细胞对神经退行性变的调节）。大脑中补体系统的这一功能丰富了人们对神经退行性疾病的理解，或许也有治疗带来了不一样的策略。

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组织巨噬细胞

这一Club来自于华盛顿大学的Gwendalyn J. Randolph，题目为Tissue macrophages break dogma。

在21世纪初，树突状细胞是一个非常热门的研究，相对而言，巨噬细胞似乎是一个“普通而又不自信”的研究领域。之前，关于组织内的巨噬细胞来源的说法，大家广泛认为其来源于血液中的单核细胞，并且造血终末谱系细胞（比如巨噬细胞）几乎已经丧失了增殖能力。

直到2009年，法国Université Aix-Marseille的Michael H. Sieweke在Science上发表了文章MafB/c-Maf Deficiency Enables Self-Renewal of Differentiated Functional Macrophages，揭示缺失转录因子MafB和c-Maf的小鼠单核细胞以及巨噬细胞在巨噬细胞集落刺激因子的作用下仍然可以增殖，并且没有成瘤性，这一发现打破了以往人们认为“谱系终末细胞没有增殖能力”的认知。

（图. Sieweke这篇Science上的一张荧光图，细胞为来自于Maf-DKO小鼠单核细胞来源的巨噬细胞）

最重要的是，这篇文章还打破了人们另一个认知：即所有的组织巨噬细胞都来源于外周血单核细胞（注：这里需要稍微解释下，所有组织内驻留的巨噬细胞或非驻留的巨噬细胞往上数三辈都是来自于外周血单核细胞，没有例外，因为组织本身是无法分化出来巨噬细胞的，区别的是有的巨噬细胞是一代移民，有的是二代或三代移民而已，而二代/三代移民本身不是来自于外周血单核细胞，而是一代移民直接生出来的）。整整1年后（上一篇Science是2009年11月6日，这篇是2010年11月5日），美国西奈山医学院Miriam Merad发表了一篇Science文章，题目为Fate Mapping Analysis Reveals That Adult Microglia Derive from Primitive Macrophages，利用谱系追踪的方法确认了大脑中的胶质细胞（脑里面的巨噬细胞）来源于卵黄囊来源的原始巨噬细胞（primitive macrophage），且小鼠在出生后造血祖细胞对于胶质细胞的贡献微乎其微，而是依靠第一代移民来维持自身的数量稳态。

（图. Merad这篇Science上的一张荧光图，作者使用的谱系追踪的工具鼠）

谱系追踪技术是分析细胞来源的最好方式，2009年的Science是在体外做的，2010年的Science是体内实验。当然接下来的工作，想必大家也都能猜到，就是利用各种谱系追踪技术查看下其它组织的巨噬细胞来源。接下来，许多课题组也相继发表文章揭示出：不仅是大脑，体内其它器官里的组织巨噬细胞在驻留后也很少以来骨髓中的造血祖细胞。

这些研究打破了以往对于巨噬细胞来源的认知，丰富了我们对于其起源和性质的了解。随着这几年单细胞测序技术的发展，让我们更加清晰的看到了巨噬细胞的异质性（详见BioArt报道：Cell | 胚胎时期脑部发育中的两种巨噬细胞；Cell | 张泽民/季加孚/步召德合作揭示多癌种内髓系细胞特征图谱）。

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Nature Reviews Immunology 20周岁这一期的里的关键内容（20个Journal Club）就介绍完了（『珍藏版』方兴未艾（上） | 与Nature Reviews Immunology一起见证免疫领域20年之大发现）。在这里，我们应该看到这20项发现背后明星技术的贡献，比如拿过诺奖的CRISPR、结构，还有单细胞测序、谱系追踪等。我们也可以预测：在将来，还会有更多的新技术涌现帮助我们更好地理解免疫系统，同时也希望这20项工作在获奖方面再上层楼。接下来就请投票选出来你认为最棒的工作吧（可多选）。

原文链接：

https://www.nature.com/nri/volumes/21/issues/10

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