Science|人源NLRP1識別RNA病毒感染活化炎症小體

撰文 | tac.G

炎症小體（Inflammasomes）是機體免疫細胞內識別炎症性或損傷性刺激完成活化的炎症複合體。其功能實現通過位於胞質的感受器（如NLRP3、AIM2等）實現炎症小體組裝，完成對炎症性Caspase（Caspase-1/4/5）的活化。炎症性Caspase進一步通過活化IL-1β/18增敏免疫系統，並水解Gasdermin引發焦亡【1】。

炎症小體感受器主要包括NLR（Nucleotide-binding domain Leucine-rich Repeat）家族成員，其中最經典研究最廣泛的是NLRP3蛋白。NLR家族蛋白普遍含有LRR（Leucine-rich Repeat）結構域，可直接識別上遊炎症信號。但作為第一個被發現的炎症小體感受器NLRP1卻一直是該家族中比較特殊的存在【2】，關於它的具體功能和激活方式在長期以來存在爭議:

摘自：Immunol Rev . 2020 Sep;297(1):13-25; Nat Rev Immunol . 2016 Jul;16(7):407-20.

1）經典的NLRP3含有PYD結構域，必須通過接頭蛋白ASC才能結合Caspase-1完成炎症小體的組裝。但NLRP1同時含有N端的PYD和C端的CARD結構域，所以既往研究認為，NLRP1既可以通過ASC，也可以不依賴ASC激活Caspase-1【3】；2）早期研究已發現 NLRP1通過識別炭疽桿菌（Bacillus anthracis）的致死因子LF（lethal factor）激活，機制一直不清。在去年Science背靠背發表的研究同時發現炭疽桿菌（Bacillus anthracis）的致死因子LF（lethal factor）通過依賴蛋白酶體的N端降解方式水解NLRP1的N端序列，暴露出活性的C端UPA-CARD結構域，可以直接結合Caspase-1的CARD而不依賴ASC完成活化【4, 5】（詳見bioart文章:Science 背靠背| 破解NLRP1炎症小體的活化之謎）。近期發表的Science研究也再次發現鼻病毒內HRV 3C蛋白酶也能水解NLRP1實現類似的活化過程【6】。在如此多研究證實NLRP1通過C端CARD完成活化的機制後，其N端的PYD以及NACHT結構域卻一直未能嶄露頭角。

慕尼黑工業大學的Veit Hornung課題組長期關注固有免疫中病原識別受體的功能，日前在Science發表題為 Human NLRP1 is a sensor for double-stranded RNA 的研究，發現皮膚組織內的NLRP1是RNA病毒感受器，PYD識別dsRNA後通過NACHT水解ATP實現活化，依賴ASC和Caspase-1完成炎症小體組裝，從而激活IL-1beta和GSDMD引起炎症反應。

研究人員首先關注到，在上皮屏障組織中存在NLRP1的高豐度表達，故以人源永生化的角質細胞N/TERT-1為模型，研究NLRP1對病毒感染的響應。已有研究發現DDP8/9抑制劑VbP可激活NLRP1炎症小體【7】。在N/TERT-1細胞內敲除NLRP1和ASC等炎症小體成員後，VbP處理發現IL-1beta活化明顯減少。而使用病毒為感染模型，則發現RNA病毒SFV（semliki forrest virus）可以活化N/TERT-1細胞IL-1beta，而DNA病毒不能，且該效應依賴NLRP1和ASC，提示NLRP1可能參與RNA病毒感染過程。有意思的是，N/TERT-1細胞對能激活NLRP3、NLRC4活化的信號則沒有響應，說明在皮膚組織內，可能僅保留了NLRP1介導的炎症小體通路。

研究人員繼續以poly(I:C)模擬RNA病毒感染，發現也可以引起由NLRP1依賴的IL-1beta活化，且敲除NLRP1後明顯減少Caspase-1活化和細胞焦亡，且不影響幹擾素通路。

研究人員試圖驗證鼠源Nlrp1蛋白對RNA病毒感染的效應。意外的是，在NLRP1缺失N/TERT-1細胞內回補了鼠源Nlrp1b，仍可以對VbP發生響應，但poly(I:C)無法活化由鼠源Nlrp1b介導的炎症小體活化，即鼠源Nlrp1b不響應RNA病毒感染。此外，N端降解功能的抑制劑Me-Bs不能抑制poly(I:C)引起的炎症小體活化。這些結果提示NLRP1在上皮組織內識別RNA感染的功能具有種屬和組織特異性。

至此，關於功能部分，研究人員已經完成比較清晰的論證。在機制上，研究人員分析推測人源NLRP1的N端結構可以識別病毒核酸序列，並通過Pull-down實驗，證實NLRP1可以直接結合dsRNA和dsDNA（Kd值為241.7nM和336.7nM）。通過截短體驗證LRR結構域負責結合dsRNA和dsDNA，NACHT結構可以增強其結合效應。而鼠源的Nlrp1b蛋白則不能結合dsRNA和dsDNA。通過模擬分析，研究人員推測LRR結構域表面呈正電的胺基酸負責了與核苷酸的識別。

既往已經發現的多種核酸結合蛋白均可以體外結合dsRNA和dsDNA，但這種結合併不一定能在功能上活化下遊通路。研究人員進一步發現，NACHT結構域具有ATP水解酶活性，當LRR結合dsRNA後，NACHT可以水解ATP後引起蛋白構象改變從而完成NLRP1的活化，而dsDNA則沒有這種效應。

本研究給NLRP1的功能和機制的研究增加了很多新鮮的內容：1）首先在功能上，這項工作首次發現NLRP1可以響應RNA病毒的感染，這種功能與NLRP1響應炭疽LF因子不同：LF通過N端降解功能水解出C端的CARD，直接結合Caspase-1組成炎症小體，而RNA病毒感染則是通過結合LRR和NACHT結構域，依賴於ASC組裝炎症小體。這項發現補充了NLRP1結構域上的新功能，並證實這是兩套相對獨立的識別病原體途徑。2）其次，NLRP1具有RNA結合功能，是新證實的胞質內RNA病毒感受器。既往的炎症小體上遊感受器僅發現AIM2可識別DNA病毒和胞內菌DNA序列，該發現補充了炎症小體在RNA病毒感染中的空白。3）最後，NLRP1的這個新功能僅在人源上皮組織中驗證出來，提示這是人類對RNA病毒在皮膚這道屏障中的特殊響應功能，而小鼠的Nlrp1b蛋白則不具有該功能。

本研究工作在解析NLRP1的新功能之餘也留了太多未解決的問題。雖然研究人員試圖證明NLRP1具有結合dsRNA和水解ATP的活性，但仍缺少直接的生化基礎和結構分析證明其功能。雖然NLRP1炎症小體參與RNA病毒感染免疫具有足夠的新意，但因為小鼠同源蛋白缺失該功能，本研究缺少足夠的體內實驗證據，且關於該功能的起源和分子進化仍需要進一步研究討論。

原文連結：

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/11/24/science.abd0811.full

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參考文獻

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