Nature长文 | 吴皓/毛有东合作解析NLRP3炎症小体激活新机制

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【1,2】。因此, NLRP3炎症小体可为很多疾病的治疗提供新的靶点。

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【3,4】。然而，NLRP3-NEK7相互作用的分子机制仍然未知。

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 Å。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。

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【5】。

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 Å（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【5-7】。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

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1295-z

参考文献

1. Broz, P. & Dixit, V. M. Inflammasomes: mechanism of assembly, regulation and signalling. Nature Reviews Immunology 16, 407 (2016).

2. Guo, H., Callaway, J. B. & Ting, J. P. Inflammasomes: mechanism of action, role in disease, and therapeutics. Nature medicine 21, 677 (2015).

3. 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 (2016).

4. Shi, H. et al. NLRP3 activation and mitosis are mutually exclusive events coordinated by NEK7, a new inflammasome component. Nature immunology 17, 250 (2016).

5. Lu, A. et al. Unified polymerization mechanism for the assembly of ASC-dependent inflammasomes. Cell 156, 1193-1206 (2014).

6. Zhang, L. et al. Cryo-EM structure of the activated NAIP2-NLRC4 inflammasome reveals nucleated polymerization. Science 350, 404-409 (2015).

7. Hu, Z. et al. Structural and biochemical basis for induced self-propagation of NLRC4. Science 350, 399-404 (2015).