Nat Immunol︱张志荣等人揭秘先天免疫激活新机制：NLRP3炎症小体感应内吞体应激下其组分的改变
炎症小体是一种多蛋白聚合复合体，在病原体入侵或者组织损伤引起的先天免疫反应中起这关键性作用[1-4]。经典的炎症小体由模式识别受体（Pattern recognition receptors）、效应蛋白半胱天冬酶Caspase1和支架蛋白ASC组成。这些模式识别受体包括Nod样受体 (Nod-like receptors）家族成员、AIM2样受体（AIM2-like receptors）家族成员及Pyrin等。在被激活后，模式识别受体发生多聚化，然后募集ASC和Caspase1酶原组装成炎症小体，进而活化Caspase1。活化的Caspase1一方面剪切促炎症细胞因子白介素-1β（IL-1β）和白介素-18（IL-18）前体促进其成熟和释放；另一方面，活化的Caspase1剪切Gasdermin D释放其N段活性片段，后者在细胞膜上打孔并引发溶解性细胞死亡，也称为细胞焦亡（Pyroptosis）[1-4]。
不同的炎症小体能够被特定机制激活，大部分炎症小体的模式识别受体能够识别某一种或者一类刺激物。然而，NLRP3 （NLR family pyrin domain-containing protein 3）炎症小体属于一个特例，因为它能够被很大范围的、一系列的刺激物所激活，包括细胞外ATP，细菌毒素，难溶性颗粒物和病原微生物等等。通常认为，NLRP3炎症小体的激活一需要两个信号步骤，即预处理（Priming）和激活（Activation）。预处理信号可以通过Toll样受体或者细胞因子受体激活来获得，激活NF-κB信号通路促进NLRP3和细胞因子的转录和翻译，同时也可能引起NLRP3翻译后修饰的改变；激活信号则是由前面提到的刺激物所介导来引发炎症小体的组装[4]。取决于这些刺激物的特性，已经提出了多种不同机制能够介导NLRP3炎症小体的激活和组装[4]。大部分刺激物是通过引发胞内钾离子外泄（Potassium efflux），进而激活NLRP3炎症小体[5]。然而，关于NLRP3识别感应的分子机制仍然是个谜团，这也是该领域内一个长期以来急需解决的生物学问题。
2022年11月28日，来自法国遗传分子细胞生物研究所（IGBMC）的张志荣和Romeo RICCI团队和来自意大利Telethon遗传与医学研究所（TIGEM）的Antonella de Matteis团队合作在Nature Immunology上在线发表了“Distinct changes in endosomal composition promote NLRP3 inflammasome activation”的文章，揭示了NLRP3炎症小体激活的细胞生物学机制：NLRP3的激活发生在内吞体上，NLRP3 能够感应内吞体应激情况下其组分的变化。
先前报道称NLRP3能够被募集到富含PI4P（Phosphatidylinositol 4-phosphate）的囊泡上并且这一过程对其激活非常重要[6]。通过解析这一囊泡的生物学属性，该研究的作者发现NLRP3阳性的囊泡带有早期内吞体（early endosome）的标记分子, 包括EEA1、RAB5和SNX2。同时在通过Transferrin loading来标记早期内吞体的实验中，作者也同样观察到NLRP3被募集到同时富含PI4P和Transferrin的早期内吞体上。NLRP3募集到早期内吞体后被激活并能够启动炎症小体的组装。这些实验结果表明NLRP3的激活是发生在早期内吞体上，而不是在之前报道的源自反式高尔基网络（Trans-Golgi network, TGN）的囊泡上[6]。通过调控负责PI4P合成的激酶PI4Ks（Phosphatidylinositol 4-kinases）和负责PI4P降解的磷酸酶的活性，作者进一步证实了内吞体上的，而不是源自TGN的囊泡上的，PI4P对NLRP3的激活起关键性作用（图1）。
图1 NLRP3的激活发生在内吞体上
（图源：Zhang Z, et al., Nat Immunol, 2022）
PI4P为什么会在内吞体上富集呢？在深一步的研究过程中，作者惊奇地发现NLRP3激活物能够破坏内吞体与内质网间膜接触位点（Endosome-ER contact site，EECS），进而导致内吞体上PI4P的富集。这一现象与之前关于EECS在精细调控内吞体上PI4P水平中起至关重要作用的报道相符[7,8]。在内质网锚定蛋白VAPs (VAPA和VAPB) 或者内吞体上的PI4P转移蛋白OSBP缺失的HeLa细胞 (不表达ASC) 中，PI4P在内吞体上大量富集同时NLRP3能够被自发募集到内吞体上。与此同时，作者在THP-1细胞中敲除VAPs或者OSBP后，发现在这些细胞能够在只有LPS预处理的情况下激活NLRP3炎症小体。这些结果表明，NLRP3激活物通过破坏EECS导致PI4P在内吞体上富集，进而促进NLRP3被募集到内吞体上并引发炎症小体激活和组装（图2）。
图2 NLRP3激活物破坏EECS，导致PI4P在内吞体上富集并激活炎症小体的组装
（图源：Zhang Z, et al., Nat Immunol, 2022）
图3 NLRP3激活阻断ETT，导致TGN货物在内吞体的阻滞
（图源：Zhang Z, et al., Nat Immunol, 2022）
之前的研究已显示内吞体上PI4P的富集会扰乱内吞体的正常分裂 (fission)及货物分选，进而影响靶向TGN的货物从内吞体到TGN的运输（Endosome-to-TGN trafficking，ETT）。这类货物包括在细胞膜-内吞体-TGN间循环运输的TGN46。因此，作者追踪了TGN46在NLRP3激活物刺激下的细胞中的亚定位。实验结果显示：在NLRP3激活物刺激下，TGN46的细胞亚定位发生改变，定位在NLRP3阳性的内吞体上面。这一现象暗示了TGN46从内吞体到TGN的运输可能被阻断（图3）。通过追踪志贺样毒素 (Shiga-like toxin) 及另一个TGN货物CI-MPR在同等条件下细胞中运输，作者进一步证实了NLRP3激活物能够阻断内吞体到TGN的运输，从而导致靶向TGN的货物，包括TGN46，在内吞体上的滞留（图4）。作者同时观察了那些含有GRIP结构域的TGN标记分子 GCC1/GCC88、GCC2/GCC185、Golgin97和Golgin245/p230在同等刺激条件下的细胞亚定位，实验结果显示这些分子在NLRP3激活物的刺激下的细胞中的亚定位没有明显的变化。由于这些标记分子在TGN上的定位不依赖于ETT，所以排除了之前研究提出的关于TGN被解散的可能性[6]。
图4 阻断ETT能够促进NLRP3炎症小体的激活
（图源：Zhang Z, et al., Nat Immunol, 2022）
最后，作者进一步揭示了ETT的阻断并不仅仅是NLRP3激活物刺激引起的一个副作用，而是有积极参与NLRP3的激活过程。在ETT缺失的细胞中，作者观察到类似于VAPs或者OSBP缺失的细胞中观察到的现象，即PI4P在内吞体上富集和NLRP3被自发募集到内吞体上并被激活。另外，髓系细胞EET缺失的小鼠对LPS引起的内毒素血症更加敏感，而且这主要是由NLRP3炎症小体的超激活所致。
图5 NLRP3感应识别机制的新模型
（图源：Zhang Z, et al., Nat Immunol, 2022）
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41590-022-01355-3.pdf
通讯作者：张志荣（左），Romeo Ricci（中）， Antonella De Matteis（右）
（照片提供自：张志荣/Romeo Ricci/Antonella De Matteis课题组）
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本文完