The Innovation Life | AA467197调控NLRP3炎症小体超活化
导 读
炎症反应是机体应对异物入侵常见的生理、病理性活动。其中,炎症小体发挥着重要的作用,而NLRP3(NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3)是其中的一种关键作用蛋白。NLRP3的超活化在病毒和细菌感染过程中起着重要的作用,然而NLRP3超活化的机制尚不清楚。此外,针对NLRP3在炎症反应中激活和调控的机制研究,对于相关靶向药物的研发具有重要的意义。本研究通过CRISPR/Cas9技术筛选可调控NLRP3超活化的基因,揭示了NLRP3炎症小体在超活化状态下精细调控的分子机制,对未来临床治疗感染性疾病有所助益。
图1 AA467197在慢性感染中对NLRP3炎症小体超活化状态的调控机制
炎症小体是一种较大的多聚体蛋白复合物,主要存在于攻击病原体的先天免疫细胞中,它在响应外源性病原体或内源性危险信号时会引发炎症反应。炎症小体复合物主要由传感器(NLR或ALR家族的成员),衔接蛋白ASC (apoptosis-associated speck-like protein containing CARD,凋亡相关斑点样蛋白)和效应蛋白procaspase-1组成。炎症小体在受到多种信号刺激后引起caspase-1(含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶)激活、GSDMD(Gasdermin D)切割和IL-1β(白细胞介素-1β)分泌,此过程在病毒和细菌感染中发挥重要作用。炎症小体可以分为NOD样受体和双链DNA传感器AIM2受体。在NOD样受体中,NLRP3在髓系细胞中广泛表达,并有助于免疫系统的抗感染反应。经典的NLRP3炎症小体激活途径介导GSDMD切割,导致细胞焦亡,有利于在感染的早期阶段限制病原体的扩增。然而,在GSDMD切割受到限制的感染过程中,NLRP3炎症小体会发生超活化,诱导IL-1β的持续分泌,同时保持细胞存活。
抗病原体感染分子的筛选
在该研究中,研究人员以CRISPR/Cas9技术为基础,用少量病原体感染永生化骨髓来源的巨噬(iBMDM)细胞,刺激NLRP3的超活化状态发生,挑选具有严重毒性的细胞进行测序及GO富集分析。研究结果显示,在甲型流感病毒Flu感染组中(图2A),最显著的生物学功能与细胞因子的产生、蛋白质分泌和炎症反应有关(图2B)。在肺炎克雷伯菌K.p感染组中(图2C),参与细菌感染应答、细胞因子产生和分泌的生物学功能被富集(图2D)。在金黄色葡萄球菌S.a感染组(图2E),最重要的生物学功能是关于细胞因子的产生、T细胞的激活和对细菌感染的反应(图2F)。然后分析这三组中都存在的4个基因AA467197、Nlrp3、Nlrp1a和Trem2(图2G)。鉴于AA467197在炎症中的作用尚不明确,进一步分析其功能。构建AA467197缺陷的iBMDM细胞并进行刺激,研究人员观察到AA467197缺失导致细胞活力下降,死亡率升高(图2H和2I)。最后,AA467197被鉴定为低剂量感染免疫应答的重要调节因子。
图2 利用CRISPR-sgRNA筛选抗感染分子
AA467197抑制NLRP3炎症小体超活化
为了研究AA467197在NLRP3炎症小体激活中的作用,研究人员对从AA467197-/-小鼠中提取的原代BMDM细胞进行刺激,发现在AA467197-/-细胞中,caspase-1的激活和IL-1β的成熟不受影响(图3A),NLRP3的过度活化并没有导致细胞死亡(图3D)。然而,AA467197-/-细胞在NLRP3超活化诱导后发生了焦亡(图3D)。研究人员将WT(野生型)和AA467197-/-BMDM细胞与少量Flu孵育,发现AA467197-/-细胞在病毒感染后表现出严重的细胞毒性(图3E)。此外,在K.p感染组(图3F)和S.a感染组中也观察到了类似的结果(图3G)。这些结果表明,AA467197在低剂量感染期间是NLRP3炎症小体超活化所必需的。
图3 AA467197抑制NLRP3炎症小体超活化
AA467197与GSDMD结合
为了探究AA467197如何参与NLRP3的超活化,研究人员利用酵母双杂交系统筛选了小鼠骨髓cDNA文库,检测到GSDMD片段(图4A)。通过免疫共沉淀及pulldown实验,在HEK293T细胞中进一步验证了AA467197和GSDMD之间的关联(图4B-C)。此外,在PGN刺激的原代BMDM细胞中观察到AA467197和GSDMD之间的相互作用(图4D),推测AA467197阻碍了caspase-1对GSDMD的加工。因此,作者进一步检测了caspase-1和GSDMD之间的关系,发现当细胞被低剂量的病毒感染处理时,caspase-1和GSDMD之间的相关性大大增强(图4F),在低剂量的K.p(图4G)和S.a感染刺激的细胞中也观察到了类似的结果(图4H)。这些研究结果表明,AA467197与GSDMD结合,正向调节了NLRP3的超活化。
图4 AA467197与GSDMD结合
AA467197缺失加剧了宿主对病原体的防御
进一步研究AA467197和GSDMD之间的结合是否阻碍GSDMD的加工,研究人员发现在PGN刺激后,AA467197-/-BMDM细胞中有更多的GSDMD切割(图5A),并发现GSDMD突变后AA467197-/-BMDM细胞活力恢复(图5B和5C)。随后用少量的Flu感染 WT和AA467197-/-小鼠,发现AA467197-/-小鼠比WT小鼠更易感染(图5D和5E)。同样,在感染K.p和S.a的WT和AA467197-/-小鼠中也检测到类似的结果(图5F-5I)。这表明AA467197的缺失加剧了宿主在体内对病原体的防御。
图5 AA467197缺失加剧了宿主对病原体的防御
总结与展望
NLRP3炎症小体在病毒和细菌感染过程中起着至关重要的作用。急性感染导致NLRP3炎症小体的立即激活,激活的caspase-1切割GSDMD,诱导感染细胞的焦亡,限制病原体的增殖和传播。然而,在低剂量感染期间,细胞焦亡被抑制,炎症因子的分泌长时间持续,导致NLRP3炎症小体的超活化。本研究揭示了AA467197参与NLRP3超活化的调控,即AA467197与GSDMD结合,抑制caspase-1对GSDMD加工,导致细胞膜上形成有限的膜孔,这些膜孔可正常分泌IL-1β,同时保持细胞存活。总之,本研究确定了AA467197在NLRP3超活化的过程中发挥的重要作用。该研究或可为未来NLRP3炎症小体激活相关疾病的治疗提供新思路。
责任编辑
赵柏林 西安交通大学
罗荣灿 中国科学院昆明动物研究所
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原文链接:https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-life.2023.100012
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Life第1卷第1期以Report发表的“AA467197 controls the hyperactivation of the NLRP3 inflammasome during infection” (投稿: 2023-03-12;接收: 2023-05-10;在线刊出: 2023-05-28)。
DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-life.2023.100012
引用格式:Liu Q., Li W., Qian Y., et al. (2023). AA467197 controls the hyperactivation of the NLRP3 inflammasome during infection. The Innovation Life 1(1), 100012.
作者简介
夏朋延 ,博士,北京大学基础医学院免疫系研究员,国家优秀青年基金获得者,主要从事于发现新的模式识别受体、鉴定新的特征性病原分子,探索NLRP3炎症小体的活化机制及其在肠炎、皮肤性炎症中的作用。相关研究成果在Nat Immunol、Immunity、Cell Host Microbe、Cell Mol Immunol、Nat Commun以及EMBO J等学术期刊发表。
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