吴皓、柴继杰揭开炎症小体激活抑制之谜

撰文 | 十一月

责编 | 兮

NLRP1 (Nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat pyrin-domain containing protein 1)作为炎症小体感受器在病原体刺激或者胁迫相关的应激条件下介导caspase-1的激活，进而诱导细胞因子的成熟和细胞焦亡的发生【1】。NLRP1功能获得性突变会造成严重的皮肤炎症反应【2】。NLRP1的激活需要其FIIND（Function-to-find domain）结构域中发生自切割，而二肽基肽酶DPP8和DPP9与NLRP1中的FIIND结构域相互作用，抑制NLRP1的自发激活【3】。但是，一直以来，炎症小体激活抑制的具体机制是什么还不得而知。

2021年3月17日，美国哈佛医学院吴皓研究组与哈佛大学Daniel A. Bachovchin研究组合作在Nature期刊上发表了文章DPP9 sequesters the C terminus of NLRP1 to repress inflammasome activation。清华大学柴继杰研究组与新加坡南洋理工大学Franklin Zhong研究组合作发表了背靠背文章Structural and biochemical mechanisms of NLRP1 inhibition by DPP9。两个团队利用生物化学、结构生物学等多种手段揭开了DPP9介导的NLRP1炎症小体激活的抑制机制。

NLRP1中包含一个独特的FIIND结构域，该结构域由两个亚结构域ZU5以及UPA组成。这两个亚结构域之间的自发蛋白水解切割作用是NLRP1激活的先决条件【4】。炭疽杆菌致死因子是目前发现揭示最清楚的、激活NLRP1的病原体触发器【5】。致死因子将小鼠NLRP1B在其N端附近裂解，并通过N端规则途径诱导整个N端片段进行蛋白酶体降解【6,7】。二肽基肽酶DPP8和DPP9作为人体以及啮齿类动物中内源NLRP1炎症小体的抑制因子发挥作用。与致死因子类似的是VbP（Valine boroproline）作为DPPs的抑制因子也可以诱导NLRP1B N端片段的降解并特异性地激活NLRP1，但是该诱导并不依赖于N端降解子的识别。因此，VbP以及致死因子会通过两种独立的方式触发NLRP1的激活。

图1 NLRP1以及DPP9复合物结构图

为了揭开DPP9介导的NLRP1的抑制机制，作者们首先进行了NLRP1以及DPP9结构的解析。全长的NLRP1以及DPP9之间可以形成稳定的蛋白质复合物。在通过蛋白纯化之后，作者们对这一复合物的冷冻电镜结果进行了解析。通过3D重构，两篇工作分别得到了3.18 Å以及3.6 Å分辨率的结构图（图1）。通过该结构解析结果可以发现，复合物中DPP9会形成同源二聚体，这一点在小鼠以及人的蛋白中都是相似的。除此之外，作者们惊讶地发现DPP9被两个NLRP1分子所结合（图1）。该结构表明NLRP1-DPP9复合物的组装依赖于三个界面的介导：I）DPP9中的ZU5结合位点；II）UPA结合位点；III）两个UPA之间形成的同源二聚化界面。

将DPP9中的催化位点进行失活突变后，其与NLRP1之间形成蛋白复合体的比例则变成1:1。在对NLRP1以及DPP9中相互作用界面进行突变后，也会显著降低两者之间的相互作用。这些结果说明无论是DPP9的催化活性还是两者之间的相互结合活性都对DPP9介导的NLRP1的抑制非常关键。而在UPA-UPA结合界面上引入的突变会废除其自激活的活性。这与先前UPA亚结构域通过自低聚化促进CARD细丝形成以及促进NLRP1炎症小体信号通路的研究结果不谋而合【8,9】。因此，UPA-UPA二聚化的界面对于更高阶的UPA多聚化以及NLRP1炎症小体的激活所必须的。进一步地，作者们发现在NLRP1与DPP9的2:1复合物中，ZU5亚结构域在空间上阻碍UPA二聚化。

图2 工作模型

总的来说，在NLRP1与DPP9的2:1复合物中，隔离UPA-CARD片段可以阻断UPA介导的功能性UPA-CARD细丝的形成，这与先前提出的隔离NLRs活性结构域进而调节和控制炎症小体的想法相吻合【10】。这两篇背靠背的工作也证实ZU5亚结构域对于DPP9依赖型以及DPP9非依赖型NLRP1激活均起到非常关键的作用，通过结构生物学等多种手段解揭开了DPP9抑制NLRP1炎症小体激活的具体分子机制（图2）。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03350-4

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03320-w

参考文献

1Mitchell, P. S., Sandstrom, A. & Vance, R. E. The NLRP1 inflammasome: new mechanistic insights and unresolved mysteries. Current opinion in immunology 60, 37-45, doi:10.1016/j.coi.2019.04.015 (2019).

2Zhong, F. L. et al. Germline NLRP1 Mutations Cause Skin Inflammatory and Cancer Susceptibility Syndromes via Inflammasome Activation. Cell 167, 187-202.e117, doi:10.1016/j.cell.2016.09.001 (2016).

3Zhong, F. L. et al. Human DPP9 represses NLRP1 inflammasome and protects against autoinflammatory diseases via both peptidase activity and FIIND domain binding. The Journal of biological chemistry 293, 18864-18878, doi:10.1074/jbc.RA118.004350 (2018).

4Finger, J. N. et al. Autolytic proteolysis within the function to find domain (FIIND) is required for NLRP1 inflammasome activity. The Journal of biological chemistry 287, 25030-25037, doi:10.1074/jbc.M112.378323 (2012).

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7Sandstrom, A. et al. Functional degradation: A mechanism of NLRP1 inflammasome activation by diverse pathogen enzymes. Science (New York, N.Y.) 364, doi:10.1126/science.aau1330 (2019).

8Gong, Q. et al. Structural basis for distinct inflammasome complex assembly by human NLRP1 and CARD8. Nature communications 12, 188, doi:10.1038/s41467-020-20319-5 (2021).

9Robert Hollingsworth, L. et al. Mechanism of filament formation in UPA-promoted CARD8 and NLRP1 inflammasomes. Nature communications 12, 189, doi:10.1038/s41467-020-20320-y (2021).

10Pedraza-Alva, G., Pérez-Martínez, L., Valdez-Hernández, L., Meza-Sosa, K. F. & Ando-Kuri, M. Negative regulation of the inflammasome: keeping inflammation under control. Immunological reviews 265, 231-257, doi:10.1111/imr.12294 (2015).