研究揭示非經典炎癥小體通路識別和活化炎癥因子IL18的分子機制

　　天然免疫是機體抵御病原微生物的第一道防線，在清除病原感染和內源危險過程中發揮著重要作用。經典的炎癥小體（inflammasome）通路通過活化下游的蛋白酶caspase-1，切割底物蛋白GSDMD釋放其N端結構域的膜打孔活性，激活細胞焦亡的免疫應答。活化的caspase-1可以切割另外兩個重要的炎癥性細胞因子——IL-1β和IL-18。成熟的IL-1β與IL-18通過GSDMD在細胞膜上形成的分子孔道分泌到細胞外，發揮促炎性的生理功能。

　　細胞內的另一類天然免疫受體caspase-4/5以及小鼠的同源蛋白caspase-11，可以直接識別革蘭氏陰性菌的脂多糖（LPS）而寡聚激活，通過切割共同的底物蛋白GSDMD介導細胞焦亡的發生，這一通路被稱為非經典炎癥小體（noncanonical inflammasome）通路。與經典的炎癥小體通路主要存在于天然免疫細胞（如單核/巨噬細胞）不同，非經典炎癥小體通路還廣泛存在于許多非免疫細胞中，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，是否存在其他在天然免疫中發揮重要功能的底物并不清楚。

　　11月22日，中國科學院生物物理研究所丁璟珒研究組和北京生命科學研究所邵峰團隊合作，在《自然》（Nature）上，在線發表了題為Recognition and maturation of IL-18 by caspase-4 noncanonical inflammasome的研究論文。該研究發現炎癥因子IL-18是非經典炎癥小體通路caspase-4/5的生理底物，并進一步揭示了天然免疫通路中caspases識別和活化IL-18的精確分子機制。

　　研究發現，前體形式的IL-18（Pro-IL-18）在許多非免疫細胞系中廣泛表達。這些細胞缺少經典炎癥小體通路中加工Pro-IL-18的蛋白酶caspase-1，但普遍表達完整的非經典炎癥小體通路，利用LPS處理或細菌感染激活胞內的caspase-4，在引起細胞焦亡的同時，也可以介導Pro-IL-18的切割和成熟炎癥因子的釋放。研究進一步利用純化的重組蛋白在體外生化實驗中證明，激活形式的caspase-4可以高效地直接切割Pro-IL-18，其切割位點和caspase-1完全一致，即發生在Pro-IL-18前體肽序列（propeptide）的第36位天冬氨酸殘基（D36）之后，且D36之前的四肽序列（LESD）是切割所必需的。

　　利用痢疾桿菌效應蛋白OspC3特異性結合caspase-4/11的ARD結構域作為輔助因子，該研究解析了OspC3ARD?caspase-4?Pro-IL-18三元復合物的晶體結構。復合物結構清晰地揭示了Pro-IL-18以雙位點的結合方式對稱地結合在caspase-4二聚體界面的上下兩端。其中，切割位點LESD四肽序列深入caspase-4的酶活中心，形成第一個作用界面；而在caspase-4二聚體界面上，分子間β折疊作為caspase-4的外位點（exosite）與Pro-IL-18的propeptide和附近的結構元件，形成另一個作用界面。該exosite正是caspases識別焦亡底物蛋白GSDMD的關鍵位點。

　　三元復合物的結構首次揭示了Pro-IL-18精細的結構特征。Pro-IL-18的propeptide通過分子內相互作用與切割后的部分形成完整的球形結構，并直接參與caspase-4 exosite介導的特異性識別。Pro-IL-18切割后的部分與成熟形式的IL-18在結構上存在顯著差異，需要發生劇烈的構象變化和局部的結構重排，產生新的結構元件，而這些新的結構元件對于成熟的IL-18與受體IL-18Rα結合至關重要。這表明caspases切割后的IL-18存在一個明確的結構成熟過程，從機制上解釋了pro-IL-18無法結合受體發揮生理功能的原因。

　　進一步，通過序列和結構同源性分析以及突變實驗驗證，研究證實非經典炎癥小體通路的caspase-5和經典炎癥小體通路的caspase-1是通過保守的雙位點結合方式特異地識別和活化Pro-IL-18。該研究還發現小鼠的caspase-11不能有效地切割和活化鼠的Pro-IL-18。在炎癥小體研究領域，人們往往使用小鼠作為實驗對象與工具，這是caspase-4?IL-18這條通路長期未被發現的原因之一。而研究通過序列和結構比較發現，caspase-11的exosite區域負責識別Pro-IL-18的關鍵氨基酸殘基與caspase-4并不保守，破壞了其識別和切割Pro-IL-18的能力，將這些位點突變成caspase-4對應的殘基，可以使caspase-11重新具有加工和活化Pro-IL-18的能力。

　　該工作發現并證明了炎癥因子IL-18是非經典炎癥小體通路活化的caspase-4/5的生理底物，并完整地揭示了天然免疫通路中caspases識別和切割Pro-IL-18，以及Pro-IL-18被加工后成熟為有生理功能的炎癥因子的精確分子機制。成熟的IL-18重要的生理功能是誘導INFγ的產生、促進Th1型細胞免疫，非經典炎癥小體通路識別和活化炎癥因子IL-18的發現，為天然免疫和適應性免疫的對話提供了全新的認知。臨床上，血液中高水平的IL-18與多種自身免疫疾病相關，如特異性皮炎、炎癥性腸病和幼年特發性關節炎。這一成果為探索這些自身免疫疾病的發生機制以及開發新的干預策略提供了全新思路。

　　研究工作得到中國科學院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國醫學科學院、中國科學院青年創新促進會等的支持。

天然免疫炎癥小體通路中caspases識別和活化炎癥因子IL-18的示意圖