Science 背靠背| 破解NLRP1炎症小体的活化之谜
撰文 | tac.G
责编 | 兮
炎症小体（Inflammasomes）是机体免疫细胞内识别炎症性或损伤性刺激完成活化的炎症复合体。其功能实现通过位于胞质的感受器（如NLRP3、AIM2等）实现炎症小体组装，完成对炎症性Caspase（Caspase-1/4/5）的活化。炎症性Caspase进一步通过活化IL-1β/18增敏免疫系统，并水解Gasdermin引发焦亡【1】。
NLRP3是目前炎症小体信号通路中研究最为核心的胞质内受体，可感受细胞内多种刺激完成活化（详见Nature丨陈志坚组解开困扰学界多年的关于NLRP3炎症小体激活之谜）。NLRP3属于NLR（Nucleotide-binding domain Leucine-rich Repeat）家族成员，该家族成员含有LRR（Leucine-rich Repeat）结构域，可以识别不同的上游信号组装炎症小体以激活炎症性Caspase。NLRP1是NLR家族中比较异类的存在，其含有未知功能的FIIND（function-to-find domain）结构域，且其可激活Caspase位于蛋白C端的CARD（caspase activation and recruitment domain）结构域。既往文献已发现NLRP1可经炭疽杆菌（Bacillus anthracis）的致死因子LF（lethal factor）自身水解后发生活化【2-4】，但该活化机制仍不清楚。
近日，在同期Science上发表了关于NLRP1活化机制的背靠背研究，分别来自加州大学伯克利分校的Russell E.Vance团队（Research Articles）和纪念斯隆凯特琳癌症中心Daniel A. Bachovchin团队（Reports）【5,6】。这两篇背靠背研究首次解析了NLRP1通过泛素蛋白酶体途径降解后发生活化的具体机制。致死因子LF处理NLRP1后可水解N端肽段，产生新的N末端。这种新的N端可促使NLRP1经「N端介导的蛋白酶体降解途径」（N-end rule pro-teasomal degradation pathway）发生降解，而NLRP1的 FIIND结构域可在蛋白酶体降解中水解出含有CARD结构域的NLRP1的活性C端（984aa-1233aa），进而完成炎症小体组装和下游活化。
既往文献对本文发现的机制已经提供了诸多线索：（1）既往已发现致死因子LF可以促进NLRP1的活化，该活化过程通过水解N端（1aa-44aa）肽段完成【2-4】；（2）利用蛋白酶体途径抑制剂MG132和Bortezomib可以抑制NLRP1的活化【7,8】。
根据线索（1），Vance团队研究人员在文章之初就开始利用逐段突变策略分析是否N端某段序列可对NLRP1的活性产生抑制。但是通过两种逐段突变策略均没有改变N端对NLRP1的抑制作用。研究人员继续将完整的N端序列替换为细菌鞭毛的α螺旋序列，竟发现该杂合的融合蛋白仍具有对其活性的抑制作用。随后Vance团队研究人员对NLRP1的N端逐点引入外源TEV蛋白酶水解位点，竟发现该水解位点也不具有特异性，只要从N端水解大于10个氨基酸的肽段即可完成活化。由此研究人员开始推测，N端肽段对NLRP1的抑制作用可能并不取决于其N端的氨基酸序列。这推翻了既往综述中对NLRP1-N端功能的认识。
Bachovchin团队在研究之初没有针对既往研究线索进行试探，而是通过全基因组CRISPR/Cas9筛选参与致死因子LF诱导NLRP1活化介导细胞焦亡的候选基因。该团队结果中除了发现Casp1、Gsdmd及Nlrp1b等阳性基因外，还发现部分参与蛋白N端介导的蛋白酶体降解途径的基因（Ubr2, Ubr4, Uba6, Ube2）也被筛选出来。这一点与线索（2）是吻合的。
N端介导的蛋白酶体降解途径是细胞内较为特殊的蛋白降解途径【9-11】：当蛋白质发生肽内水解，产生新的N端起始序列，即可引起新的蛋白序列不稳定，此时相关功能蛋白可迅速介导该水解后肽段进入蛋白酶体中进行降解。两个团队随后的实验均证实，N端水解后的NLRP1蛋白呈现不稳定性，可以进入蛋白酶体发生降解。
研究至此，两篇故事中出现了有悖常识的发现。在泛素蛋白酶体研究的常规套路中，经蛋白酶体途径降解往往表明该蛋白功能受到抑制。而在本次的故事中，蛋白酶体对NLRP1的降解竟然活化了其下游通路，而抑制蛋白酶体功能反而抑制了其活化（线索（2））。
随后两个团队均发现，NLRP1的FIIND结构域内含有自水解的位点（F983-S984）。当NLRP1经蛋白酶体途径降解中，可在该位点发生水解，从而游离出新的结构域（984aa-1233aa）。这段位于C末端的新的NLRP1截短蛋白内包含属于FIIND的UPA亚结构域和CARD结构域。UPA-CARD没有跟随其全长蛋白进入蛋白酶体，而是完成自组装并通过CARD募集了Caspase-1，实现炎症小体的活化。
此外，Vance团队研究人员还鉴定到志贺杆菌Shigella编码的泛素连接酶IpaH7.8可以实现对NLRP1的降解，通过类似途径活化NLPR1完成炎症小体活化，这与既往关于志贺杆菌的研究也十分一致【12-14】。
本次解读的两篇文章均具有极强的创新性：1）该研究首次发现通过抑制NLRP1降解可以抑制其活化这一有违常识的现象；2）N端起始序列对NLRP1的抑制作用并不具有序列特异性，而是通过抑制其降解实现，这与NLRP3等NLR家族成员形成auto-inhibition完全不同（实际上，包括Vance在内的其他研究人员曾通过借鉴NLRP3的活化过程，认为该模型同样适应于NLRP1，并误写入综述【15】）。Vance教授在文章中也将该种激活模式称作功能性降解（Functional degradation），即通过降解机制完成功能活化。
综上，两篇研究十分精彩的完成了对NLRP1参与炎症小体活化机制的探索。两篇研究工作量并不大，机制研究做的也不如常规CNS级文章般深入，但并没有影响其工作质量（在Vance团队研究的4个Figure中，Fig.1满满的均是阴性结果，否定了他们既往对NLRP1的推测；Bachovchin团队的Fig.1中只有一个图，即通过全基因组CRISPR/Cas9筛选找到了研究的核心）。这两篇Science背靠背研究解析了NLRP1活化并组装炎症小体的具体机制，并打破了常规的研究套路。而在细胞信号通路研究日渐套路化的现在，我们仍看到有新的可能性在挑战我们的常识，Science的魅力即在于此。
原文链接：
Functional degradation: A mechanism of NLRP1 inflammasome activation by diverse pathogen enzymes
N-terminal degradation activates the NLRP1B inflammasome制版人：珂
参考文献：
1. Schroder K, Tschopp J. The inflammasomes. Cell 2010;140(6):821-32.
2. Levinsohn JL, Newman ZL, Hellmich KA, Fattah R, Getz MA, Liu S, et al. Anthrax lethal factor cleavage of Nlrp1 is required for activation of the inflammasome. PLoS pathogens 2012;8(3):e1002638.
3. Hellmich KA, Levinsohn JL, Fattah R, Newman ZL, Maier N, Sastalla I, et al. Anthrax lethal factor cleaves mouse nlrp1b in both toxin-sensitive and toxin-resistant macrophages. PloS one2012;7(11):e49741.
4. Chavarria-Smith J, Vance RE. Direct proteolytic cleavage of NLRP1B is necessary and sufficient for inflammasome activation by anthrax lethal factor. PLoS pathogens 2013;9(6):e1003452.
5. Sandstrom A, Mitchell PS, Goers L, Mu EW, Lesser CF, Vance RE. Functional degradation: A mechanism of NLRP1 inflammasome activation by diverse pathogen enzymes. Science 2019.
6. Chui AJ, Okondo MC, Rao SD, Gai K, Griswold AR, Johnson DC, et al. N-terminal degradation activates the NLRP1B inflammasome. Science 2019.
7. Tang G, Leppla SH. Proteasome activity is required for anthrax lethal toxin to kill macrophages.Infection and immunity 1999;67(6):3055-60.
8. Squires RC, Muehlbauer SM, Brojatsch J. Proteasomes control caspase-1 activation in anthrax lethal toxin-mediated cell killing. The Journal of biological chemistry 2007;282(47):34260-7.
9. Varshavsky A. The N-end rule pathway and regulation by proteolysis. Protein science : a publication of the Protein Society 2011;20(8):1298-345.
10. Sriram SM, Kim BY, Kwon YT. The N-end rule pathway: emerging functions and molecular principles of substrate recognition. Nature reviews Molecular cell biology 2011;12(11):735-47.
11. Hong JH, Kaustov L, Coyaud E, Srikumar T, Wan J, Arrowsmith C, et al. KCMF1 (potassium channel modulatory factor 1) Links RAD6 to UBR4 (ubiquitin N-recognin domain-containing E3 ligase 4) and lysosome-mediated degradation. Molecular & cellular proteomics : MCP 2015;14(3):674-85.
12. Suzuki S, Mimuro H, Kim M, Ogawa M, Ashida H, Toyotome T, et al. Shigella IpaH7.8 E3 ubiquitin ligase targets glomulin and activates inflammasomes to demolish macrophages. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2014;111(40):E4254-63.
13. Neiman-Zenevich J, Stuart S, Abdel-Nour M, Girardin SE, Mogridge J. Listeria monocytogenes and Shigella flexneri Activate the NLRP1B Inflammasome. Infection and immunity 2017;85(11).
14. Fernandez-Prada CM, Hoover DL, Tall BD, Hartman AB, Kopelowitz J, Venkatesan MM. Shigella flexneri IpaH(7.8) facilitates escape of virulent bacteria from the endocytic vacuoles of mouse and human macrophages. Infection and immunity 2000;68(6):3608-19.
15. Chavarria-Smith J, Vance RE. The NLRP1 inflammasomes. Immunological reviews 2015;265(1):22-34.
BioArt，一心关注生命科学，只为分享更多有种、有趣、有料的信息。
我们将每天更新一篇高质量文章，欢迎关注本专栏。
投稿、合作、转载授权事宜请联系微信ID：bioartbusiness 或邮箱：[email protected]。
推荐阅读：
