丁璟珒、邵峰团队合作揭示非经典炎症小体通路新分子机制

▎药明康德内容团队编辑（来源：中国科学院生物物理研究所）

天然免疫是机体抵御病原微生物的第一道防线，在清除病原感染和内源危险过程中发挥重要作用。经典的炎症小体(inflammasome)通路通过活化下游的蛋白酶caspase-1，切割底物蛋白GSDMD释放其N端结构域的膜打孔活性，激活细胞焦亡的免疫应答。活化的caspase-1还可以切割另外两个重要的炎症性细胞因子IL-1β和IL-18，成熟的IL-1β与IL-18通过GSDMD在细胞膜上形成的分子孔道分泌到细胞外，发挥其促炎性的生理功能。

细胞内的另一类天然免疫受体caspase-4/5以及小鼠的同源蛋白caspase-11可以直接识别革兰氏阴性菌的脂多糖（LPS）而寡聚激活，通过切割共同的底物蛋白GSDMD也介导细胞焦亡的发生，这一通路被称为非经典炎症小体（noncanonical inflammasome）通路。与经典的炎症小体通路主要存在于天然免疫细胞（如单核/巨噬细胞）有所不同，非经典炎症小体通路还广泛存在于许多非免疫细胞中，表明其重要的免疫防御功能。此外，Caspase-4/5/11已知的生理底物只有GSDMD，是否还有其它在天然免疫中发挥重要功能的底物并不清楚。

2023年11月22日，丁璟珒研究组和北京生命科学研究所邵峰团队在Nature在线发表题为"Recognition and maturation of IL-18 by caspase-4 noncanonical inflammasome"的合作研究论文，发现炎症因子IL-18是非经典炎症小体通路caspase-4/5的生理底物，并进一步揭示了天然免疫通路中caspases识别和活化IL-18的精确分子机制。

研究人员首先发现，前体形式的IL-18 (Pro-IL-18)在许多非免疫细胞系中广泛表达，这些细胞缺少经典炎症小体通路中加工Pro-IL-18的蛋白酶caspase-1，但普遍表达完整的非经典炎症小体通路，利用LPS处理或细菌感染激活胞内的caspase-4，在引起细胞焦亡的同时，也可以介导Pro-IL-18的切割和成熟炎症因子的释放。研究人员进一步利用纯化的重组蛋白在体外生化实验中证明，激活形式的caspase-4可以高效地直接切割Pro-IL-18，其切割位点和caspase-1完全一致，发生在Pro-IL-18前体肽序列（propeptide）的第36位天冬氨酸残基（D36）之后，并且D36之前的四肽序列（LESD）是切割所必需的。

利用痢疾杆菌效应蛋白OspC3特异性结合caspase-4/11的ARD结构域作为辅助因子，研究人员成功地解析了OspC3ARD−caspase-4−Pro-IL-18三元复合物的晶体结构。复合物结构清晰地揭示Pro-IL-18以双位点的结合方式对称地结合在caspase-4二聚体界面的上下两端。其中切割位点LESD四肽序列深入caspase-4的酶活中心，形成第一个作用界面；而在caspase-4二聚体界面上，分子间β折叠作为caspase-4的外位点（exosite）与Pro-IL-18的propeptide和附近的结构元件，形成另一个作用界面。该exosite正是caspases识别焦亡底物蛋白GSDMD的关键位点。

三元复合物的结构也首次揭示了Pro-IL-18精细的结构特征。首先，Pro-IL-18的propeptide通过分子内相互作用与切割后的部分形成完整的球形结构，并直接参与了caspase-4 exosite介导的特异性识别。其次，Pro-IL-18切割后的部分与成熟形式的IL-18在结构上存在显著差异，需要发生剧烈的构象变化和局部的结构重排，产生新的结构元件，而这些新的结构元件对于成熟的IL-18与受体IL-18Rα结合至关重要。这表明caspases切割后的IL-18存在一个明确的结构成熟过程，也从机制上解释了pro-IL-18无法结合受体发挥生理功能的原因。

参考资料：

[1]Shi, X., Sun, Q., Hou, Y. et al. Recognition and maturation of IL-18 by caspase-4 noncanonical inflammasome. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06742-w