清華大學生命學院柴繼杰課題組與合作者在《自然》發(fā)文首次揭示動物先天免疫受體NLRP1抑制的分子機制
生物在與病原微生物長期競爭中進化出了復雜完善的免疫系統(tǒng)，其功能可進一步分為先天性免疫和適應性免疫兩部分。先天性免疫系統(tǒng)是宿主防御感染機制中一種普遍而古老的形式，它對于病原體的感知主要是通過一系列胚系基因編碼的模式識別受體來實現(xiàn)。其中NOD樣受體（NLR）家族是模式識別受體中數(shù)量最大、功能最復雜的一類,其通過不同成員來感應多樣的病原信號,進而形成炎癥小體來活化機體免疫防御反應。同時機體也通過精細的網絡來調控各種NLR的時空表達、免疫反應的強弱來維持機體的內穩(wěn)態(tài)，NLR的突變或失調經常導致各種免疫性相關疾病。
NLRP1作為NLR家族中的一員，NLRP1炎癥小體也是人們發(fā)現(xiàn)的第一個NLR炎癥小體，其突變常見于白癜風等皮膚免疫性疾病中。NLRP1不僅含有NLR家族蛋白典型的NOD、LRR和CARD等結構域，同時還具備獨特的具有自切割功能的FIIND結構域，其自切割是NLRP1激活所必需（圖1a）。最新研究表明二肽基肽酶DPP8/9可以抑制NLRP1的活化，但是DPP8/9介導的NLRP1抑制機制目前仍然不是很清楚。
2021年3月17日，清華大學生命學院柴繼杰課題組和新加坡南洋理工大學醫(yī)學院鐘雷課題組合作，在《自然》（Nature）雜志在線發(fā)表了題為“DPP9抑制NLRP1的結構與生化機制研究”（Structural and biochemical mechanisms of NLRP1 inhibition by DPP9）的研究論文，通過結構生物學、生物化學和細胞生物學等手段闡明了DPP9介導的NLRP1抑制機制并對NLRP1炎癥小體的激活機制提供了新的啟示，加深了我們對NLR家族功能機制多樣性的認識，也為相關免疫疾病的治療提供了理論基礎。
圖1 NLRP1 FIIND 結構域結構以及全長NLRP1-DPP9 2:1復合體結構。
柴繼杰團隊首先解析了大鼠NLRP1 FIIND結構域的晶體結構（圖1b），揭示了FIIND結構域發(fā)生自切割的關鍵氨基酸及催化機制，并發(fā)現(xiàn)ZU5亞結構域對于維持NLRP1的自抑制具有重要的作用。隨后該團隊又獲得了大鼠全長NLRP1-DPP9復合體的高分辨率電鏡結構（圖1c-d）。出乎意料的是，電鏡結構顯示NLRP1與DPP9形成了2:1復合體，而且其中的兩個NLRP1分子一個是全長，另一個僅包括自切割后的C末端片段。隨后通過與新加坡南洋理工大學醫(yī)學院鐘雷課題組和吳彬課題組合作，通過大量的生化及細胞試驗揭示了DPP9的結合及酶活功能對于維持體內NLRP1的抑制活性都是必需的。本研究不僅揭示了DPP9維持NLRP1自抑制的重要功能，為開發(fā)相關的免疫疾病藥物提供了堅實基礎；同時我們的研究也提示了NLRP1-DPP9的2:1復合體可能是體內NLRP1感應各種病原或內源信號發(fā)揮功能的真實狀態(tài)（圖2），為未來深入研究其機理提供了基礎。
圖2 DPP9介導的NLRP1抑制機制以及病原體誘導的NLRP1活化機制模式圖。
清華大學生命學院柴繼杰教授、新加坡南洋理工大學醫(yī)學院鐘雷助理教授為本論文共同通訊作者。清華大學生命學院博士后、清華大學結構生物學高精尖創(chuàng)新中心卓越學者黃夢杭，原清華大學結構生物學高精尖創(chuàng)新中心卓越學者、清華大學生命學院已出站博士后張曉驍為本文的共同第一作者。南洋理工大學醫(yī)學院的卓己安，南洋理工大學生物科學學院吳彬助理教授、龔琴， 清華大學生命學院副研究員韓志富博士，清華大學生命科學學院助理研究員王家博士也為本研究做出了重要貢獻。Bruno Reversade博士研究團隊在研究、技術上給予了幫助支持。清華大學冷凍電鏡平臺的雷建林博士、李曉敏博士對冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集進行了指導和幫助。清華大學生命科學院高精尖創(chuàng)新中心X-ray主管范仕龍博士對晶體數(shù)據(jù)收集進行了指導和幫助。國家蛋白質科學中心（北京）、清華大學冷凍電鏡平臺、清華大學高性能計算平臺和上海同步輻射光源為本研究提供了設備和技術支持。本研究得到了國家自然科學基金、北京結構生物學高精尖創(chuàng)新中心、清華-北大生命科學聯(lián)合中心、亞歷山大-馮-洪堡基金會、馬克斯-普朗克學會、新加坡衛(wèi)生部、新加坡國家研究基金會獎學金的經費支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03320-w
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