清華大學(xué)柴繼杰教授研究組和隋森芳院士研究組合作在《科學(xué)》發(fā)表論文
揭示NAIP-NLRC4炎癥小體激活的分子機(jī)制
清華新聞網(wǎng)10月10日電 10月8日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院柴繼杰教授研究組和隋森芳院士研究組合作在國(guó)際頂尖期刊《科學(xué)》（Science）在線(xiàn)發(fā)表了題為《NLRC4蛋白誘導(dǎo)自激活機(jī)制的結(jié)構(gòu)和生化基礎(chǔ)》（Structural and Biochemical Basis for Induced Self-propagation of NLRC4）的研究長(zhǎng)文（Research Article），報(bào)道了通過(guò)單顆粒冷凍電子顯微技術(shù)（冷凍電鏡）解析的小鼠PrgJ-NAIP2-NLRC4ΔCARD復(fù)合物（炎癥小體）分辨率為6.6埃的三維結(jié)構(gòu)，并通過(guò)大量的生化和結(jié)構(gòu)研究揭示了NAIP-NLRC4炎癥小體中NLRC4蛋白誘導(dǎo)自激活的分子機(jī)制。清華大學(xué)生命學(xué)院博士后胡澤汗、博士后周強(qiáng)和博士研究生張晨璐為本文共同第一作者，柴繼杰教授和隋森芳院士為本文共同通訊作者。
病原微生物感染嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康，炎癥反應(yīng)等天然免疫反應(yīng)是機(jī)體防御病原微生物侵染的第一道防線(xiàn)。NOD樣受體(nucleotide-binding and oligomerization domain-like receptors, NLRs)是位于胞質(zhì)內(nèi)非常重要的一類(lèi)模式識(shí)別受體，通過(guò)感知胞內(nèi)外源性病原微生物產(chǎn)物或內(nèi)源性危險(xiǎn)信號(hào)，起始多種包括炎癥小體在內(nèi)的多種蛋白復(fù)合物的組裝，從而激活多條免疫相關(guān)信號(hào)通路，引發(fā)天然免疫反應(yīng)。NOD樣受體家族蛋白的功能異常會(huì)引起關(guān)節(jié)炎等各種自身免疫疾病、肥胖等各種代謝綜合癥、炎癥性腸病以及腫瘤等眾多疾病的發(fā)生。
NLRC4是NOD樣受體家族中的一員，主要感受細(xì)菌的鞭毛蛋白和III型分泌系統(tǒng)等成分，從而引發(fā)對(duì)相關(guān)病原菌入侵的免疫應(yīng)答。NLRC4在正常情況下通過(guò)自抑制作用處于靜息狀態(tài)；當(dāng)病原菌成分進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)時(shí)，會(huì)被另一類(lèi)NOD樣受體家族蛋白--NAIP亞家族蛋白所識(shí)別并激活，從而進(jìn)一步活化NLRC4；活化的NLRC4會(huì)發(fā)生自身多聚化并招募Caspase-1，形成炎癥小體，產(chǎn)生一系列的免疫應(yīng)答反應(yīng)。
柴繼杰教授研究組過(guò)去十年一直以NOD樣受體家族的結(jié)構(gòu)與功能作為主要研究方向。2013年，柴繼杰教授研究組首次解析了小鼠NLRC4蛋白處于自抑制狀態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析和生化實(shí)驗(yàn)揭示了該蛋白在正常情況下維持自抑制狀態(tài)的分子機(jī)制，該項(xiàng)研究成果發(fā)表于《科學(xué)》（Science）上（http://www.sciencemag.org/content/341/6142/172.full）。該論文發(fā)表后，Science Signaling和SciBX: Science-Business eXchange雜志為本文專(zhuān)門(mén)寫(xiě)了評(píng)論文章，Nature CHINA雜志以研究亮點(diǎn)進(jìn)行了報(bào)道，并被F1000 Prime所推薦。
圖1 PrgJ-NAIP2-NLRC4ΔCARD復(fù)合物結(jié)構(gòu)示意圖。
之后，柴繼杰教授研究組和隋森芳院士研究組合作，展開(kāi)對(duì)激活狀態(tài)下NAIP-NLRC4炎癥小體的結(jié)構(gòu)和功能研究。經(jīng)過(guò)多次的嘗試，最終利用冷凍電鏡方法解析了“PrgJ-NAIP2-NLRC4ΔCARD”復(fù)合物平均分辨率為6.6埃的三維結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)為10-12個(gè)NAIP2/NLRC4蛋白分子相互作用并聚合成一個(gè)盤(pán)狀結(jié)構(gòu)（圖1）。納米金顆粒標(biāo)記實(shí)驗(yàn)表明該盤(pán)狀結(jié)構(gòu)中，只有一個(gè)NAIP2蛋白分子，其余的均為NLRC4蛋白分子。此外，在對(duì)“PrgJ-NAIP2-NLRC4ΔCARD”復(fù)合物樣品的電鏡觀(guān)察中，還發(fā)現(xiàn)了部分未完全閉合的鉤狀結(jié)構(gòu)。該鉤狀結(jié)構(gòu)的電鏡分析結(jié)果顯示位于鉤狀結(jié)構(gòu)一端的蛋白分子具有與其它蛋白分子不同的密度，提示該端點(diǎn)處的蛋白分子為NAIP2。該結(jié)果一方面符合PrgJ首先結(jié)合NAIP2進(jìn)而激活NLRC4的生化機(jī)制，另一方面也同納米金顆粒標(biāo)記實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。
該鉤狀結(jié)構(gòu)相當(dāng)于“PrgJ-NAIP2-NLRC4”復(fù)合物組裝過(guò)程的一個(gè)中間狀態(tài)，表明“PrgJ-NAIP2-NLRC4”復(fù)合物的組裝是一種具有方向性的梯次激活過(guò)程，結(jié)合了配體的NAIP2起始了這一激活過(guò)程。由于NLRC4蛋白并不結(jié)合配體，所以隨后的NLRC4蛋白的激活僅依賴(lài)于上一個(gè)活化的NLRC4蛋白，所以NLRC4蛋白以一種類(lèi)似于阮病毒“自我復(fù)制”的方式激活并組裝成寡聚體結(jié)構(gòu)。
NLRC4蛋白分子的“催化表面”和“受體表面”參與了該激活過(guò)程：第一個(gè)NLRC4蛋白分子的催化表面結(jié)合下一個(gè)NLRC4蛋白分子的受體表面，進(jìn)而引起其構(gòu)象發(fā)生改變，從而形成新的催化表面，進(jìn)而結(jié)合和激活隨后的NLRC4蛋白分子。序列比對(duì)結(jié)果顯示，NAIP蛋白和NLRC4蛋白的催化表面非常相似，關(guān)鍵氨基酸完全一致；而NAIP蛋白和NLRC4蛋白的受體表面則完全不同。因此，NAIP蛋白運(yùn)用了與NLRC4蛋白高度相似的催化表面起始了NLRC4蛋白的“自我復(fù)制”的激活過(guò)程，其受體表面的不匹配性保證了NAIP-NLRC4炎癥小體復(fù)合物中有且僅有一個(gè)NAIP蛋白分子。
圖2 NAIP-NLRC4炎癥小體激活過(guò)程示意圖。
以上所有的結(jié)構(gòu)分析均得到了體外生化實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，說(shuō)明了NLRC4蛋白以類(lèi)似于阮病毒的“自我復(fù)制”的方式激活并組裝成寡聚體結(jié)構(gòu)，結(jié)合了配體的NAIP蛋白作為“種子”起始了這一激活過(guò)程（圖2）。這種激活方式在該類(lèi)蛋白的激活方式中還從未被發(fā)現(xiàn)，這不僅揭示了NAIP激活NLRC4的具體分子機(jī)制，更揭示了NLRC4的“自我放大”作用，這種作用機(jī)制保證了NLRC4蛋白對(duì)于危險(xiǎn)信號(hào)具有更強(qiáng)的敏感性，為機(jī)體及時(shí)有效的啟動(dòng)免疫應(yīng)答反應(yīng)提供保障。此外，該研究結(jié)果也為研究其它NOD樣受體的作用機(jī)制提供了借鑒意義。
清華大學(xué)生命學(xué)院王宏偉教授和范仕龍博士、四川大學(xué)程偉教授以及北京生命科學(xué)研究所邵峰研究員和趙越博士也參與了部分工作。本項(xiàng)研究得到了科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心以及中國(guó)博士后科學(xué)基金的資助。
論文鏈接：www.sciencemag.org/content/early/2015/10/07/science.aac5489.full
供稿：生命學(xué)院 編輯：襄樺
