生命科学
Life science
2023年3月21日，厦门大学细胞应激生物学国家重点实验室、厦门大学生命科学学院、厦门大学医学院韩家淮院士团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Immunity上发表题为“Ribosome-rescuer PELO catalyzes the oligomeric assembly of NOD-like receptor family proteins via activating their ATPase enzymatic activity”的研究论文。研究报道了核糖体质量控制关键因子PELO是所有胞质内NOD样受体蛋白的互作因子；PELO通过高效激活NLR蛋白的ATPase活性，控制NLR蛋白的寡聚化组装和激活，从而参与调控NLR家族蛋白介导的多种免疫炎症反应。
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机体通过模式识别受体感应病原体相关模式分子 (pathogen associated molecular pattern, PAMP) 和损伤相关模式分子 (damage associated molecular pattern, DAMP)。NOD样受体（Nod-like receptor, NLR）家族是机体最大的一类模式识别受体。目前认为NLR感知识别相应模式分子后，可通过自身寡聚化组装形成大型信号分子机器, 如NLRP3，NLRC4等形成的炎症小体（Inflammasome），NOD2等形成的Nodosome，从而激活NF-κB通路、MAPK通路、细胞焦亡等，释放TNFα，IL-1β和IL-18等炎性细胞因子，介导下游一系列免疫炎症级联反应。这是机体最为基本的天然免疫防御反应之一，在机体清除病原感染和内源危险信号中发挥至关重要的作用；NLR的异常激活也被发现参与了脓毒症、炎性肠病等多种重大炎性疾病的病理进程。
NLR家族蛋白在结构上都含有一个核苷酸结合寡聚化结构域(Nucleotide-binding and oligomerization domain, NOD或NACHT)；对NLR发挥功能至关重要。大量研究表明，依赖NACHT结构域介导的寡聚化是NLR蛋白激活的共同特征和主要方式；但目前人们对NLR家族蛋白寡聚化组装激活的机制并不清楚。
PELO是进化上高度保守的蛋白，参与核糖体相关质量控制（ribosome-associated quality control，RQC），介导停滞核糖体（stalled ribosome）的解体和回收利用（ribosome rescue）。PELO已被报道在胚胎发育、精子生成、表皮内稳态及神经系统发育等生理学过程中发挥重要功能；但其在免疫应答等应激反应中的功能研究仍是空白。韩家淮团队早前在果蝇中通过正向遗传学筛选鉴定到PELO，发现PELO通过调控病毒蛋白合成参与果蝇抗病毒天然免疫，首先揭示了PELO在天然免疫中的作用。之后陆续有研究表明植物中PELO的同源物也与抗病毒免疫相关，提示PELO参与免疫反应在进化上的高度保守性。研究者在利用定量质谱分析NLRP3炎症小体蛋白复合物时，发现PELO随着刺激被募集到NLRP3炎症小体蛋白复合物上；这引起了研究者的密切关注。
研究者首先确认了PELO和NLRP3的直接相互作用，并发现这种相互作用是通过NLRP3的NACHT和LRR结构域介导的。由于NACHT和LRR是NLR家族蛋白的共有结构域，研究者进一步分析发现PELO可以特异性地和所有胞质内的NLR家族蛋白相互作用。接着，研究者在多种细胞和小鼠模型中证实PELO参与调控NLR家族蛋白介导的天然免疫应答反应，如NOD2介导的NF-κB和MAPK信号通路激活，NLRP3、NLRC4和NLRR6介导的炎症小体激活和细胞焦亡等。进一步细胞实验发现，PELO通过直接与NLR蛋白结合控制了NLR蛋白在激活信号刺激下的寡聚化组装。NLR蛋白属于STAND (signal transduction ATPases with numerous domains) ATPase家族，其NACHT结构域含有保守的ATP结合和水解结构域，且ATPase活性对于NLR的组装激活至关重要。研究者通过体外ATPase活性检测实验，发现PELO可以高效地激活NLR家族蛋白的ATPase活性。紧接着，研究者建立了NLRC4炎症小体的体外组装系统，并证实PELO通过激活NLRC4的ATPase活性控制其寡聚化组装和激活。
综上所述，该研究揭示了PELO的全新免疫学功能，继发现PELO在抗病毒免疫中的作用后，揭示了PELO在NLR介导的天然免疫反应中的重要作用。
本研究的第一作者为厦门大学生命科学学院吴秀榕博士和厦门大学医学院杨章华博士；韩家淮院士和吴秀榕博士为该论文的共同通讯作者。
作者专访
Cell Press细胞出版社公众号特别邀请韩家淮院士代表研究团队接受了专访，请他为大家进一步详细解读。
CellPress：
您的团队是因何开展此项研究的？
韩家淮院士：
我们实验室吴秀榕博士早前曾在果蝇中通过正向遗传学筛选抗病毒基因，当时她鉴定到了PELO，并发现PELO通过调控病毒蛋白合成参与果蝇抗病毒天然免疫，首先揭示了PELO在天然免疫中的作用。之后陆续有研究表明植物中PELO的同源物也与抗病毒免疫相关，提示PELO参与免疫反应在进化上具有高度保守性；于是我们构建了LysM-cre介导的PELO条件性敲除小鼠，以进一步深入研究PELO在免疫反应中的功能。有意思的是，我们实验室的另一个小组在利用定量质谱分析NLRP3炎症小体蛋白复合物时，惊讶地发现PELO会随着刺激被募集到NLRP3炎症小体蛋白复合物上，这暗示PELO可能是NLRP3的互作因子，并极有可能参与调控NLRP3的激活。这引起了吴秀榕博士的极大关注，并紧接着开展了PELO调控NLR激活的研究。
CellPress：
您认为本工作的亮点是什？
韩家淮院士：
第一，该研究揭示了NLR家族蛋白组装激活的一个范式。NLR家族蛋白共有二十多个，虽然功能各异，但其激活都依赖于NACHT结构域；NACHT属于STAND ATPase家族，已有大量研究证明，NLR的激活依赖于其NACHT的ATPase活性。我们的研究发现PELO通过与NACHT结合并激活其ATPase活性，是所有胞质内NLR蛋白的互作因子，提出了NLR组装激活的普适性原理。第二，PELO可能以“催化剂”的方式调控大型分子机器的组装。我们在NLRC4炎症小体的体外重组实验中发现，PELO控制着NLRC4炎症小体的组装，但它并不作为最终组装好的NLRC4炎症小体复合物的结构组成成分；这提示PELO可能是以催化剂的角色推进整个大型分子机器的寡聚化组装进程。第三，PELO控制NLR组装激活的这一功能并不依赖于其在核糖体质量控制中的作用。这与先前发现PELO在果蝇中抗病毒仍依赖于PELO调控核糖体的功能不同；这是对PELO发挥功能方式的全新认知；表明PELO可能以多样的方式参与免疫反应的调控。
CellPress：
您团队在该领域有哪些进一步的研究计划？
韩家淮院士：
在该研究中我们发现，PELO介导的核糖体质量控制和NLRP3、NLRC4炎症小体的激活这两个应激反应通过竞争PELO分子而存在互斥关系；根据此线索，我们将探究在生理或者病理情况下，核糖体应激反应和NLR介导的炎症反应如何相互协调，以决定细胞在应激条件下的命运选择。其次，我们将从生化、结构生物学的角度进一步深入研究PELO调控NLR蛋白ATPase活性的详细分子机制。另外，我们还将继续挖掘PELO在先天免疫及后天免疫反应等免疫应答过程中的全新功能，探究PELO在炎性疾病、癌症等疾病中的作用。
作者介绍
韩家淮
院士
论文通讯作者，韩家淮教授，厦门大学医学与生命科学学部主任；细胞应激生物学国家重点实验室主任；厦门大学医学院院长。韩家淮教授是先天性免疫信号传导领域的世界知名学者，是p38这个进化上保守的应激信号通道的发现者和权威，在细胞坏死的研究上也有引导性工作。韩家淮教授因在信号传导研究的卓越贡献，于2013年入选中国科学院院士，获得长江学者成就奖、教育部自然科学一等奖、国家自然科学二等奖等多种奖励，并入选科学网2011年度十大创新人物和2014年全国优秀科技工作者和2017年全国创新争先奖。韩家淮教授迄今已在世界主流学术刊物上发表论文320余篇，其中CNS及子刊文章50余篇。论文被他人引用65000余次，单篇最高引用次数超3500次，H-index为127，并获中国和美国的专利多项。
吴秀榕
副研究员
论文第一作者兼共同通讯作者，吴秀榕博士，厦门大学细胞应激生物学国家重点实验室副研究员。主要研究方向为固有免疫及炎症反应的机制和功能，研究成果以第一作者或通讯作者（含共同）发表在Immunity，PLoS Pathogens，Mol Cell Proteomics等国际主流学术期刊。
杨章华
助理教授
论文共同第一作者，杨章华博士，厦门大学医学院助理教授。主要研究方向为程序性细胞死亡的机制和功能，研究成果以第一作者（含共同）发表在Molecular Cell，Immunity，Nature Immunology，Cell death and Differentiation等国际主流学术期刊。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Immunity上
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▌论文标题：
Ribosome-rescuer PELO catalyzes the oligomeric assembly of NOD-like receptor family proteins via activating their ATPase enzymatic activity
▌论文网址：
https://www.cell.com/immunity/fulltext/S1074-7613(23)00088-2
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.immuni.2023.02.014
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