哈佛吴皓等解析NLRP3炎症小体激活新机制宁安

06-13

2019年6月13日，来自哈佛医学院的吴皓教授与北京大学的毛有东教授合作在Nature杂志发表题为Structural mechanism for NEK7-licensed activation of NLRP3 inflammasome的研究长文，通过Cryo-EM解析了人源NLRP3-NEK7的复合物结构，分辨率为3.8 ?。以该结构为基础而设计的NLRP3或NEK7突变体的体外和细胞功能验证揭示了NEK7通过与NLRP3亚基的多界面相互作用，介导NLRP3炎症小体激活的分子机制和重要性。?

丝氨酸/苏氨酸激酶NEK7在有丝分裂过程中起着关键作用。最近的研究报道，NEK7在有丝分裂间期中参与组装和激活NLRP3炎症小体。NLRP3通过NLRP3-NEK7的直接相互作用激活，期间NEK7扮演的角色不可或缺。然而，NLRP3-NEK7相互作用的分子机制仍然未知。

NLRP3属于核苷酸结合结构域（nucleotide-binding domain，NBD）和富含亮氨酸重复结构域（leucine-rich repeat，LRR）的蛋白家族（NLRs）。它的N-末端具有pyrin结构域（PYD），可与接头蛋白ASC相互作用；中间的腺苷三磷酸酶（ATPase）结构域称为NACHT，包含NBD、螺旋结构域1（helical domain 1，HD1）、翼状螺旋结构域（winged helix domain, WHD）和螺旋结构域2（HD2）; NLRP3的C-末端为LRR结构域（图1a）。接头蛋白ASC具有caspase募集结构域，通过该结构域招募caspase-1，以促进caspase二聚化和活化。以前的研究表明，pyrin和caspase募集结构域都通过成核聚合形成丝状小体组装。

图1. 人源NLRP3和NEK7的结构域示意图和生化实验的鉴定。

作者通过重组表达，在昆虫细胞中表达量人源N端PYD截短、融合MBP标签的NLRP3，通过大肠杆菌表达了全长的人源NEK7。通过生化测定二者相互作用可以达到几十纳摩尔级别（图1b），但是天然复合物的Cryo-EM图片对比度很差（分子量185KD）。于是作者通过人工干预，基于二聚体蛋白激酶R（PDB ID：2A19），设计了artificial的NEK7使其二聚化，最终达到了NEK7-NLRP3复合物二聚化的目的（图1c、d）。尽管溶液中是二聚，但是二维重构显示大部分NEK7-NLRP3是单体，作者推测可能是两个复合物比较柔韧（flexible），但二聚化过程确实改善了复合物的电镜数据质量。最终，获取了质量好的复合物Cryo-EM图片（图1e、f），解析了其三维结构。通过一系列数据分析和结构重建的优化，分辨率达到3.8 ?（图2）。

图2. NEK7-NLRP3整体结构示意图

此前对另一个炎症小体蛋白NLRC4的研究表明，NACHT结构域在HD1-WHD连接处会发生一个很大的刚体旋转，从而使整个结构寡聚化和活化。基于NLRC4的活性结构，作者分子模拟了一个活化状态的NLRC3，表明在NBD–HD1区域要经历一个大约90度的翻转。不仅如此，作者还搭建了一个模拟的NLRP3–NEK7炎症小体盘（inflammasome disc）（图3）。这些结构和突变体功能验证实验揭示NEK7通过与NLRP3亚基的相互作用，介导NLRP3炎症小体分子的激活。

图3. NLRP3–NEK7 inflammasome disc

总之，该结构和功能的研究证明NLRP3-NEK7相互作用决定了NEK7许可对NLRP3炎症小体激活的必要性（图4），为进一步研究NLRP3炎症小体激活的分子机制提供了重要基础，为相关疾病的研究提供了可参考的小分子药物的治疗靶点。

图4. NLRP3炎症小体激活模型

关于炎症小体

炎症小体是一种多蛋白复合物，负责激活炎症反应，在固有免疫和疾病发生过程中具有重要作用。炎症小体能够调节caspase-1的活化，进而在天然免疫防御的过程中，促进细胞因子白细胞介素1β（IL-1β）和白细胞介素18（IL-18）的成熟和分泌。这些细胞因子的分泌可导致细胞焦亡（pyroptosis）。目前已发现多种炎症小体，如NLRP1、NLRP3、NLRC4和AIM2。NLRP3炎性体可以被尼日利亚毒素、尿酸结晶、淀粉样蛋白-β原纤维和外源ATP等来激活。NLRP3炎症小体在多种疾病发生的过程中扮演着重要角色，包括家族周期性自身炎症反应、II型糖尿病、阿尔兹海默症、关节炎症和动脉粥样硬化症等。因此， NLRP3炎症小体可为很多疾病的治疗提供新的靶点。

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