揭示细胞焦亡中Caspase识别GSDMD的结构机理

原标题：国家蛋白质科学研究（上海）设施五线六站用户揭示细胞焦亡中Caspase识别GSDMD的结构机理

细胞焦亡（Pyroptosis）是病原体感染或者内源性刺激时细胞发生的程序性死亡，会释放大量炎性因子并引起更加强烈的炎症反应。炎症小体激活Caspase-1，LPS激活Caspase-4/5/11后形成二聚体，之后发生自切割产生p20和p10。GSDMD的272FLTD275（小鼠的为273LLSD276）位点会被激活的Caspase-1/4/5/11识别并切开，切割后的GSDMD会去除抑制性GSDMD-C结构域，释放出能够在细胞膜上成孔的GSDMD-N结构域，细胞膜上的孔释放出炎性物质，造成细胞焦亡。Caspase通常通过识别底物中的四肽基序（XXXD）并在天冬氨酸（D）后切开蛋白肽段。质谱分析已经揭示了每种Caspase特定识别的四肽序列。Caspase-1/4/11识别的四肽序列第四位氨基酸残基通常为芳香类。 

2020年2月27日，中科院生物物理所丁璟珒课题组和北京生命科学研究所邵峰课题组合作在《Cell》杂志上发表题为“Structural Mechanism for GSDMD Targeting by Autoprocessed Caspases in Pyroptosis ”的文章。该研究从结构学角度发现了caspase-1/4/11-GSDMD复合物形成中的关键特点。文章指出Caspase4/11中的Asp289/Asp285对Caspase4/11激活切割产生p20和p10至关重要。激活后的Caspase4/11以不依赖四肽序列的结构域与GSDMD结合，而是将四肽序列放入口袋样催化结构域中，激活GSDMD并诱导焦亡。而caspase-1-GSDMD相互作用中也存在类似的现象。 

研究人员首先制作了一种特异性识别剪切后GSDMD-C的抗体，作者在体内和体外验证了这种抗体的效果，并将此抗体作为Caspase1/4/11诱导的细胞焦亡的特异性检测工具。作者结合先前报道和构建Caspase突变体进行分析后发现Asp289/285位点是Caspase-4/11诱导的细胞焦亡中自切割激活中唯一关键位点，这个位点发生自切割后Caspase4/11与GSDMD才能紧密结合。但是作者发现如果将GSDMD中的四肽序列换成AAAD或者FLTA并不影响GSDMD和Caspase4的结合，GSDMD被caspase4/11切割的效率也不受四肽序列突变而降低。 

图1：Caspase-11和GSDMD结合模式图 

已有研究发现在Caspase-4/11被激活后会具有一个口袋样的催化结构域，对Caspase和GSDMD蛋白晶体结构分析发现两个GSDMD蛋白能够对称的与Caspase-11同源二聚体形成复合物。而在复合物中两种分子的结合主要由Caspase-11二聚体的βIII/βIII’ 折叠组成的外部结构域（exosite）介导，通过Trp263和Val287两个氨基酸残基将两个Caspase-11侧链连接在一起并一起插入由GSDMD-C的Leu306，Leu310，Val367和Leu370形成的疏水性凹槽中。这种二者结合的结构特点也出现Caspase-4与GSDMD的复合物中。疏水凹槽和exosite的结合使GSDMD-C的四肽序列插入到Caspase-4/11的口袋样的催化结构域中，这也就解释了为什么GSDMD不需要特定的四肽序列也能被Caspase-4/11切割激活。激活后的Caspase-1也有类似口袋样的催化结构域，作者进一步分析Caspase-1与GSDMD的复合物结构发现二者相互作用的方式类似于Caspase-4/11与GSDMD复合物。 

图2：天然免疫中caspase精确地自剪切活化，进而特异地识别和切割GSDMD，引发细胞焦亡的示意图 

此项研究详细揭示了Caspase-1/4/11组成二聚体并通过exosite与GSDMD的疏水凹槽结构结合，从而精确识别GSDMD，激活细胞焦亡。这篇文章也通过证明GSDMD被识别割过程不依赖于四肽序列结构来解释Caspase-1/4/11的底物的高度选择特异性的原因。Caspase是治疗焦亡相关疾病的重要潜在靶点，但由于Caspase之间结构的相似性而成为研发药物阻碍。本文呈现的GSDMD-Caspase结合模式或许为克服这一困难提供新的途径。 

该研究得到国家蛋白质科学研究（上海）设施BL19U1蛋白质复合物晶体结构线站的大力支持，其中caspase-11非剪切p32形式和自剪切p22/p10形式的晶体，以及自剪切形式的caspase-4/11与GSDMD-C结构域复合物的晶体，在BL19U1线站采集了高质量衍射数据并完成结构解析工作。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.02.002