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炎癥小體的激活與組裝

2022-04-21
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炎癥小體依賴于一個“兩步”活化模型。不過每個炎癥小體都有獨特的傳感器激活和平臺關聯(lián)機制。這些傳感器既可以直接與它的激動劑結合,也可以依賴于另一種分子。ASC接頭蛋白對于某些炎癥小體的組裝是必需的,但也可以不參與或完全缺乏于某些炎癥小體的組裝。不同炎癥小體之間的相互作用通過特定的保守結構域發(fā)生。各種激活和組裝策略可能經(jīng)進化,演變成能對威脅做出及時的響應。


“兩步”激活模型

啟動(Priming)和激活是所有炎癥小體都需要的兩個步驟。首先,啟動步驟可以視為一種必要的調(diào)節(jié),以避免不必要的激活。它允許炎癥小體組裝和下游信號所需蛋白的轉錄上調(diào)。一旦啟動,傳感器將保持在自動抑制但對信號敏感的狀態(tài)。它們通過直接的配體結合或間接的細胞內(nèi)事件被不同的PAMPs或DAMPs激活。

第二步激活,是誘導啟動后的傳感器進行翻譯后修飾(PTMs),導致去抑制的構象變化。這是傳感器寡聚化和炎癥小體平臺組裝的起點。下文我們詳細介紹了NLRP3、NLRC4和CASP-11/4/5炎癥小體的獨特激活和組裝機制。


NLRP3炎癥小體

NLRP3炎癥小體是最被研究透徹的經(jīng)典炎癥小體。然而,關于NLRP3激活的確切機制仍存在爭議 [5, 38]。NLRP3可以被一系列結構上和化學上無關的刺激物激活。這些刺激物可以是無菌的(例如尿酸晶體、β-淀粉樣蛋白、膽固醇晶體)、來自微生物(例如造孔毒素、離子通道激活劑)或環(huán)境的(例如石棉、二氧化硅)[5]。目前的認知是NLRP3不直接與這些分子結合。相反,它感知下游細胞溶質(zhì)應激信號,如K+ 外排 [5, 38]、外化線粒體心磷脂和氧化線粒體DNA,后兩者在一些研究中被認為是NLRP3的“最終”配體 [39-41]。


NLRP3是一種擁有三個結構域的蛋白,包含LRR、NOD(或NATCH)和PYD結構域(見第4頁)。由于NOD和LRR結構域之間的內(nèi)部相互作用,NLRP3被自動抑制為閉合構象 [42]。NOD結構域的ATP結合和水解允許NLRP3變成開放構象 [43]。此外,PTMs由不同的刺激物驅(qū)動,這些刺激物可以靶向NLRP3結構域中的特定殘基 [38, 44, 45]。例如PRR配體(如LPS或Pam3CSK4)的刺激,可以在NOD結構域中導致JNK1介導的S198磷酸化以及NLRP3去泛素化 [44]。一旦LRR結構域被暴露,它就與NEK7(NimA相關蛋白激酶7)結合。NEK7對于橋接相鄰NLRP3亞單位之間的間隙是必需的,不過,這種相互作用發(fā)生的時間和位置尚未完全闡明 [25-27]。NLRP3的激活會使炎癥小體開始組裝。NLRP3-PYD結構域招募ASC,然后通過其CARD結構域與pro-caspase-1結合。CASP-1受鄰近誘導進行自溶性活化,從而使細胞表面形成GSDMD孔,允許IL-1β/IL-18和警報素分泌,最終導致細胞焦亡 [5, 46]。


細胞器在NLRP3炎癥小體組裝中起關鍵作用 [5, 47]。啟動和激活信號一同協(xié)調(diào)NLRP3炎癥小體成分在線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)和高爾基體的亞細胞定位。至于是否存在多種細胞器的機制去調(diào)控NLRP3炎癥小體組裝則還在研究中 [48]。

炎癥小體的激活與組裝


NLRP3炎癥小體已被發(fā)現(xiàn)有不同的啟動機制。長時間的TLR刺激(>3小時)可以觸發(fā)NF-κB介導的新NLRP3分子轉錄 [44, 49]。短時間的TLR刺激(<1小時)較可能觸發(fā)MyD88或TRIF介導的NLRP3蛋白PTM [44, 50]。PTM介導的NLRP3啟動可能已經(jīng)進化到允許即時的炎癥反應發(fā)生。另外,轉錄介導的啟動可以通過上調(diào)NLRP3和效應分子的表達,來增強炎癥反應。近期也有研究顯示,至少在體外的人類單核細胞中,TLR介導的啟動對于NLRP3炎癥小體的活化并不是必需的 [51]。


重要的是,非經(jīng)典炎癥小體CASP-11/4/5炎癥反應也能觸發(fā)NLRP3炎癥小體的激活和組裝(見下文)。


NLRC4/NAIP炎癥小體

NLRC4感測細胞內(nèi)細菌分子,如屬于運動器官的鞭毛蛋白,或來自細菌III型或IV型分泌系統(tǒng)(T3SS或T4SS)的內(nèi)桿和針狀蛋白。更具體地說,NAIP與其相應的配體直接結合后,再結合NLRC4。另外,人源和鼠源的NAIP表達存在差異。人源基因組只表達一種NAIP,作用于NLRC4上游并與上述激活劑結合 [7, 52]。這種獨特的人源NAIP存在兩種異構體,且對感知鞭毛蛋白和T3SS蛋白有不同的親和力 [52]。而小鼠表達多個NAIPs,它們對每個配體都表現(xiàn)出不同的親和力;例如NAIP1對T3SS針狀蛋白具有較高的親和力,NAIP2對T3SS內(nèi)桿蛋白具有較高的親和力,NAIP5和NAIP6對鞭毛蛋白具有較高的親和力 [8-11]。盡管NAIPs和NLRC4的轉錄調(diào)控仍缺乏文獻記載,但最近發(fā)現(xiàn)鼠源NAIPs的本底表達至少依賴于IRF8 [53] 。

炎癥小體的激活與組裝


NAIPs和NLRC4擁有相似的LRR和NOD結構域,其中LRR結構域是令它們處于自抑制狀態(tài)所必需的 [8, 54-56]。此外,NLRC4還有一個CARD 結構域。一旦配體結合到NAIP的NOD區(qū)域,處于自抑制狀態(tài)的NAIP就會伸展出來,暴露出NOD結構域 [55]。被激活的NAIP通過NOD-NOD相互作用募集NLRC4啟動子(promoter),迫使NLRC4開放。而活化的NLRC4利用其暴露出來的NOD表面與其他NLRC4分子發(fā)生骨牌反應,形成組裝炎癥小體平臺 [56]。NLRC4的CARD結構域聚集后會使NLRC4聚合化,NLRC4/NAIP復合物然后可以通過直接的CARD-CARD相互作用或通過ASC接頭蛋白與pro-caspase-1結合 [15, 56]。


CASP-11和CASP-4/5非經(jīng)典炎癥小體

鼠源CASP-11和人源CASP-4/5同時作為傳感器和效應蛋白分子,形成非經(jīng)典炎癥小體。CASP-11是在感染革蘭氏陰性細菌小鼠模型中首次被發(fā)現(xiàn)能感應細胞內(nèi)的LPS,且不依賴于細胞表面的LPS受體TLR4 [57, 58]。此外,CASP-11和CASP-4/5會驅(qū)動GSDMD介導的細胞死亡和CASP-1依賴性的IL-1β/IL-18分泌 [22]。


LPS的識別和caspase的寡聚化都是被CASP-11/4/5的CARD結構域所介導,它們也是使其自身亞單位進行自催化激活所必需的 [29]。這些活化的caspase會切割GSDMD,最終誘導細胞焦亡的發(fā)生。與CASP-1不同,CASP-11/4/5不會將pro-IL-1β和pro-IL-18切割成成熟形態(tài) [59]。當質(zhì)膜形成GSDMD孔,會釋放出作為應激信號的胞漿成分。K+外排會促使NLRP3炎癥小體組裝和CASP-1介導的IL-1β/IL-18分泌 [38, 60]。不過,關于CASP-11/4/5確切的激活機制仍需要進行深入的研究。

炎癥小體的激活與組裝


細胞外LPS通過細菌OMV的攝?。ㄒ姷?3頁)或細胞內(nèi)細菌的溶解進入胞質(zhì) [57, 61]。之后的事件會涉及鳥苷酸結合蛋白(GBPs)和干擾素反應基因B10蛋白(IRGB10)的參與。GBPs積聚在吞噬體膜上,促使細菌產(chǎn)物(如DNA、LPS)釋放到細胞質(zhì)中 [62]。它們會通過招募IRGB10參與穿透細胞內(nèi)細菌膜 [63]。GBPs也被認為能促使CASP-11與LPS疏水脂質(zhì)A的相互作用 [64]。


人源CASP-4/5和鼠源CASP-11的本底表達會因細胞類型而有所不同,它們的表達可在使用各種TLR激動劑(如LPS和Pam3CSK4)和干擾素(IFN-β和IFN-γ)預處理后獲得上調(diào) [22, 65-67]。同樣,GBPs和IRGB10也受干擾素轉錄調(diào)控 [67]。


既然人類基因存在著兩種CASP-11相似的蛋白,這就引申出CASP-4和CASP-5在功能上是否具冗余性的問題。目前有體外實驗顯示要應答轉染的LPS,最低限度也需要CASP-5,但在小鼠感染傷寒沙門氏菌的情況下CASP-5則是必需的 [68]。CASP-4和CASP-5在體內(nèi)細菌感染中的確切作用還待進一步研究。


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