Nature | NLRP3十聚体结构解析

昵称69125444 2022-02-17

展开全文

炎症小体是一类胞内的蛋白复合物，可以感应外界的病菌感染和内部的危险信号【1】，刺激活化后，核苷酸寡聚结合结构域样受体（nucleotide-binding oligomerization domain (NOD)-like receptors，简称NLRs）家族的成员形成一类超分子复合物，从而引起caspase成熟，gasderminD剪切，细胞因子释放，以及最终的细胞焦亡【2】。NLRP3是NLRs家族中研究相对充分的成员之一，可以感应细菌、病毒和酵母感染所引起的胞内压力，也可以感应非感染引发的炎症【3】。当然，NLRP3的活化机制以及由静息状态到活化状态时的构象变化情况，仍旧不得而知。

NLRP3主要由三部分结构域所构成，分别为在超分子复合物形成过程中起重要作用的N端Pyrin结构域（Pyrin domain，简称PYD）、调控蛋白质寡聚化的中心ATP酶三聚体结构域NACHT、以及起到信号感应因子作用的C端富含亮氨酸重复结构域（leucine-rich repeat，简称LRR）【4】。静息状态的ADP偶联的NLRP3通常被认为是处于自抑制状态的，而自抑制状态的解除需要一系列激酶作用，包括与有丝分裂丝苏氨酸激酶NEK7结合以及核苷酸结合区域（nucleotide-binding domain，简称NBD）上游的磷酸化【5-8】。NLRP3活化后，ATP与NBD结合，引起NACHT亚结构域HD1、WHD和HD2的构象变化。多种复杂疾病，比如多发性硬化症、II型糖尿病、阿尔茨海默病等均与NLRP3的异常活化相关，但是，如何使得NLRP3维持自抑制状态的内源性分子机制仍旧不甚了解。

细胞因子抑制性III型分子药物（cytokine release inhibitory drug 3，简称CRID3）属于磺酰脲类药物，于2003年首次研发成功，并定名为CP-456.773。近期的工作发现，在人类单核细胞中，CRID3可以特异性抑制ATP驱动、NLRP3介导的IL-1b分泌，其IC₅₀为8.1nM。

2022年2月3日，来自德国波恩大学的Matthias Geyer研究组在Nature上发表题为Structure of the NLRP3 decamer bound to the cytokine release inhibitor CRID3 的文章，通过冷冻电子显微镜的方法，解析了与CRID3结合并处于静息状态的NLRP3的结构。

首先，作者在杆状病毒感染的昆虫细胞中表达人源全长NLRP3。为了增加静息状态NLRP3的稳定性，作者在表达纯化过程中加入NLRP3特异性抑制剂CRID3。作者通过Titan Krios 显微镜扫描1588061个分子，获得14336组冷冻电子显微镜数据，在4.1埃分辨率下构建了NLRP3十聚体结构模型，并且重点在3.9埃分辨率下绘制LRR和NACHT结构域模型。3D建模显示十聚体的中心区域密度增加，很可能是嵌入其中的PYD二聚体引起的。NLRP3十聚体的上半部分五聚体和下半部分五聚体各有一个PYD显示了其结构的对称性，而其余PYDs则与NACHT相连。

作者通过原子模型确定，NLRP3由8个亚结构域所构成，分别为PYD (3-94) ；连接区域 (95-130)；FISNA (131-218)、NBD (219-372)、HD1 (373-434)、WHD (435-541) 和 HD2 (542-649) 的NACHT 结构域; 以及含有过渡LRR (trLRR; 650-742) 和经典LRR (cnLRR; 743-1036) 的 LRR结构域。过渡LRR起始于F₆₅₀xxlxl序列，形成了第一组由26个残基的重复结构所构成的β链。β链之后是第二组重复结构所构成的环状结构，延伸至LRR后的凹陷区域。内部环状隆起的上表面具有高水平的静电电位。酸性环状结构KEEEEEEKEGRHLD（689-702）通过反平行瓣与此表面接触，在LRR凹陷区域形成多级静电电位。

在NLRP3十聚体装配过程中，各亚基之间共形成了三种独特的接触面，分别定义为A，B和C。接触面A是两个分子的LRR凹陷区域面对面；接触面B可以通过极性接触来稳定LRR之间的相互作用；接触面C则是两个分子的LRR背靠背。随后，作者通过分析ASC光斑的方法研究NLRP3十聚体装配与其活化的关系，并发现，接触面C的突变对NLRP3对活化影响最大，但CRID3的抑制作用仍旧存在；而接触面A突变则减弱了CRID3的抑制作用。

综上所述，作者通过冷冻电子显微镜的方法细致解析了静息状态下人源NLRP3的结构，其与CRID3的结合区域很有可能作为各类自发炎症和自身免疫病的干预靶点。

原文链接：

https:///10.1038/s41586-022-04467-w

制版人：十一

参考文献

1. Schroder, K. & Tschopp, J. The inflammasomes. Cell 140, 821–832 (2010).

2. Swanson, K. V., Deng, M. & Ting, J. P. The NLRP3 inflammasome: molecular activation and regulation to therapeutics. Nat. Rev. Immunol. 19, 477–489 (2019).

3. Latz, E., Xiao, T. S. & Stutz, A. Activation and regulation of the inflammasomes. Nat. Rev. Immunol. 13, 397–411 (2013).

4. Laliberte, R. E. et al. Glutathione s-transferase omega 1-1 is a target of cytokine release inhibitory drugs and may be responsible for their effect on interleukin-1beta posttranslational processing. J. Biol. Chem. 278, 16567–16578 (2003).

5. Song, N. et al. NLRP3 phosphorylation is an essential priming event for inflammasome activation. Mol. Cell 68, 185–197 (2017).

6. Schmid-Burgk, J. L. et al. A Genome-wide CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) Screen Identifies NEK7 as an Essential Component of NLRP3 Inflammasome Activation. J. Biol. Chem. 291, 103–109 (2016).

7. Shi, H. et al. NLRP3 activation and mitosis are mutually exclusive events coordinated by NEK7, a new inflammasome component. Nat. Immunol. 17, 250–258 (2016).

8. He, Y., Zeng, M. Y., Yang, D., Motro, B. & Núñez, G. NEK7 is an essential mediator of NLRP3 activation downstream of potassium efflux. Nature 530, 354–357 (2016).

转载须知

【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享。