Les NLRs des animaux

La famille des NLRs est une famille de récepteurs intracellulaires jouant un rôle important dans la régulation des réponses immunitaires innées (Kaparakis et al., 2007; Lamkanfi and Dixit, 2014; Broz and Dixit, 2016; Meunier and Broz, 2017). Les protéines NLRs partagent une structure en domaines tripartite (Tableau 1), avec un domaine N-terminal d’interaction protéine-protéine (aussi appelé domaine effecteur), un domaine central de liaison de nucléotides et d’oligomérisation de type NACHT (NOD : nucleotide-binding and oligomerization domain) et un nombre variable de LRR formant le domaine C-terminal (Yang et al., 2019). Une architecture similaire est présente dans les NLRs de plantes (Jones et al., 2016) et dans la protéine Apaf-1 (Figure 27), mais cette dernière contient deux

Figure 27. Vue d'ensemble de l'apoptosome APAF-1, du résistosome des plantes et de la voie d'activation de l'inflammasome NLRC4/NAIP.

La formation de l'apoptosome est déclenchée par la libération de cytochrome-c des mitochondries en réponse à un stimulus de mort cellulaire interne ou externe. Lors de la liaison du dATP et du cytochrome c à l'extrémité C terminale d'APAF1, la protéine cytosolique APAF-1 forme un apoptosome oligomérique. L'apoptosome APAF-1 activé forme un complexe heptamérique en forme de roue avec une structure de symétrie septuple. La formation de l’inflammasome NLRC4/NAIP5 est déclenchée par la détection de stimuli bactériens (par exemple, la flagelline), qui est détectée par NAIP5. En conséquence, les NAIP co-oligomérisent avec NLRC4, conduisant à la formation d'une structure en forme de disque, similaire à celle de l'apoptosome, contenant 11 monomères. Le déclencheur de la formation du résistosome ZAR1 est l'uridylation de PBL2 par l'effecteur AvrAC de Xanthomonas campestris pv. campestris. Le PBL2 uridylé (PBL2*) est reconnu par le complexe cytoplasmique préformé ZAR1/RSK1, conduisant à une libération d'ADP à partir de ZAR1, amorçant ainsi l’activation mais n'activant pas ZAR1. L'activation semble être le résultat de la liaison de l'ATP ou du dATP à la forme appauvrie en ADP de ZAR1, conduisant à l'oligomérisation du complexe ZAR1/RKS1/PBL2* en une forme plus grande, un pentamère avec une structure en forme d'entonnoir au centre. Abréviations: APAF-1, Apoptotic protease-activating factor-1; BIR, baculovirus inhibitor of apoptosis protein repeat; CARD, caspase recruitment domain; CC, coiled coil domain; LRR, leucine-rich repeat;

domaines WD40 en C-terminal au lieu de domaines LRRs (Riedl et al., 2005). Le module NOD peut être divisé en un NBD, un domaine hélicoïdal 1 (HD1) et un « winged helical domain » (WHD). Le domaine NOD est suivi d’un autre domaine hélicoïdal 2 (HD2) chez les animaux mais pas chez les NLRs de plantes (Maekawa et al., 2011). Suivant leur domaine effecteur N-terminal, les NLRs des animaux peuvent être subdivisés en quatre sous-familles (Tableau 1) : les NLRA, NLRB, NLRC et les NLRP (Meunier and Broz, 2017). La sous-famille NLRA contient un seul membre nommé CIITA qui présente un domaine de transactivation acide (AD) impliqué dans la régulation transcriptionnelle des gènes MHC (Major Histocompatibility Complex) de classe II. Les trois autres sous-familles sont caractérisées par la présence de modules d’interaction homotypique protéine-protéine impliqués dans le recrutement de molécules de transduction du signal. La sous-famille NLRB se distingue par la présence du domaine BIR (Baculovirus Inhibitor Domain). La présence d’un domaine CARD est une caractéristique de la sous-famille NLRC, tandis que les membres de la sous-sous-famille NLRP possèdent un domaine PYD (Muñoz-Wolf and Lavelle, 2016). Les NLRs appartiennent à la superfamille AAA+ d’ATPases et par conséquent leur fonctionnement est supposé être comme celui d’un « interrupteur » moléculaire avec un état inactif ADP-lié et un état actif ATP-lié comme mode d’action, ceci s’appuie sur les études sur Apaf-1 (Riedl et al., 2005; Maekawa et al., 2011; Zhou et al., 2015).

Chez les animaux, il a été montré pour plusieurs NLRs que ceux-ci fonctionnent comme des PRRs, qui détectent les PAMPs ou les DAMPs (host-derived danger signals) dans le cytosol afin d’initier la réponse immunitaire innée (Zhou et al., 2015; Jones et al., 2016; Broz and Dixit, 2016). Tandis que chez les plantes, les NLRs reconnaissent spécifiquement les protéines effectrices de pathogènes afin d’initier la réponse immunitaire. Les études, principalement chez les animaux, ont permis l’établissement d’un paradigme pour la signalisation médiée par les NLRs. La perception d’un ligand induit l’oligomérisation des NLRs. Une fois oligomérisés, les NLRs recrutent la pro-caspase-1 soit directement, soit à travers la molécule adaptatrice ASC qui contient un domaine C-terminal CARD et un domaine N-terminal PYD. Ceci résulte en la formation d’un complexe multi-protéique cytosolique appelé l’inflammasome qui contrôle l’activation de la pro-caspase-1 (Zhou et al., 2015; Hu and Chai, 2016). Les interactions homotypiques CARD-CARD ou PYD-PYD sont essentielles dans l’assemblage des inflammasomes NLRs (Yin et al., 2015). La dérégulation des inflammasomes NLRs est associée à de nombreux désordres d’ordre immunitaire et métabolique (Strowig et al., 2012), ce qui souligne encore davantage le rôle physiologique de ces complexes. L’activation de la caspase-1 médiée par des inflammasomes permet le clivage protéolytique ainsi que la sécrétion d’IL-1 et d’IL-18. La caspase-1 activée peut aussi cliver le substrat de la GSDMD pour induire la pyroptose (Kayagaki et al., 2015; Shi et al., 2015). Le clivage de GSDMD par la caspase-1 lève l’effet inhibiteur du domaine C-terminal sur l’activité de formation de pore du domaine N-terminal (GSDMD-N). Ce dernier peut s’oligomériser et

Figure 28. Modèles tridimensionnels d'apoptosome humain actif, d'inflammasome humain et de résistosome de plante.

Chaque structure macromoléculaire est représentée depuis des angles différents ; vue du dessus (A) ; vue du dessous (B), et vue de côté (C). Chacune de ces structures forme des complexes en forme de roue avec différents types de symétrie (symétrie septuple pour l’apoptosome APAF-1, symétrie d’ordre 11 pour l’inflammasome NLRC4/NAIP et pentamérique pour le résistosome de plante).Abréviations: APAF-1, Apoptotic protease activating factor-1; CARD, caspase recruitment domain; CC, coiled coil domain; HD, helical domain; NAIP, NLR family apoptosis inhibitory protein; NBD, nucleotide-binding domain; NLR, nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat receptors; PBL2, PBS1-LIKE PROTEIN 2; WHD, winged helix domain; ZAR1, HOPZ-ACTIVATED RESISTANCE 1. (d’après (Mermigka et al., 2020))

former des pores dans la membrane plasmique, résultant en un gonflement puis une lyse des cellules (Aglietti et al., 2016; Ding et al., 2016). Il existe également des NLRs ne formant pas des inflammasomes et pouvant réguler négativement les inflammations tels que NLRP12, NLRX1, et NLRC3.

Jusqu’à présent, plusieurs inflammasomes NLR tels que NLRP1, NLRP3, NLRP6, et NAIP/NLRC4 ont été identifiés et certains peuvent agir de façon redondante dans l’immunité innée (Duxbury et al., 2016). L’inflammasome de mammifère le mieux étudié est celui formé par le NLRC4 humain codé par le gène NLRC4. La protéine NLRC4 est apparemment conservée au sein d’un certain nombre d’espèces de mammifères et est homologue à la protéine CED4 de C. elegans. La sous-famille protéique à laquelle appartient NLRC4 inclut également le co-activateur transcriptionnel CIITA et la protéine NLRP3. NLRC4 contient un domaine N-terminal CARD, un domaine central NBD/NACHT et un domaine C-terminal LRR. NLRC4 coopère avec les protéines NAIP pour détecter le stimulus et former un oligomère. Les protéines NAIP sont des NLRs ayant un domaine N-terminal BIR. Dans le génome humain, seul un gène NAIP a été annoté comme codant au moins deux isoformes, cependant, dans le génome murin au moins quatre gènes NAIP distincts ont été identifiés (Kofoed and Vance, 2011). Les différentes interactions NAIP/NLRC4 déterminent la spécificité de ligand (Gong and Shao, 2012). Cela inclut la détection des composants du système de sécrétion de type III de Salmonella (T3SS), que ce soit PrgJ ou la flagelline bactérienne par NAIP2 et NAIP5 respectivement (Zhao et al., 2011) chez la souris, tandis que chez l’humain, les mêmes signaux sont détectés par deux isoformes de NAIP (Yang et al., 2013; Kortmann et al., 2015). NLRC4 réside dans le cytosol dans une forme auto-inhibée (Hu et al., 2013). De façon similaire à Apaf-1, cette auto-inhibition est partiellement atteinte par les interactions interdomaines au sein du NBD, HD1, WHD et HD2, qui est stabilisé par liaison à une molécule ADP. Un autre domaine de NLRC4 contribuant à l’auto-inhibition est le domaine C-terminal LRR. Pour l’activation de NLRC4, les NAIPs détectent le ligand correspondant (la flagelline pour NAIP5), à travers le domaine NB (Tenthorey et al., 2017) et non à travers le domaine LRR, comme anticipé. La liaison de la flagelline ouvre la conformation fermée de NAIP5 par le déplacement des domaines LRR et HD2. Ce changement de conformation expose les domaines NBD et WHD, qui vont à leur tour lier NLRC4, initiant ainsi un nouvel ensemble de changements de conformations pour NLRC4 (Tenthorey et al., 2017). Le site d’oligomérisation de NLRC4, WHD, devient exposé, libérant l’ADP lié, menant ainsi à la polymérisation de NLRC4 et à la formation de l’inflammasome (Hu et al., 2013; Zhang et al., 2015; Tenthorey et al., 2017). Le complexe NAIP/NLRC4 activé, recrute et oligomérise la caspase inflammatoire, la caspase-1, ce qui initie les réponses immunitaires (Mermigka et al., 2020).

Des réponses immunitaires peuvent avoir besoin d’une paire de NLRs afin d’être initiées, c’est-à-dire de deux NLRs fonctionnant de façon coopérative. Il y a souvent une répartition des fonctions dans cette paire de partenaires : l’un a une fonction de détection (senseur) tandis que l’autre a une

Figure 29. Structures tripartites modulaires simplifiées des NLRs de plantes et d’animaux.

PYD, pyrin domain; BIRs, baculovirus inhibitor-of-apoptosis repeats (d’après (Maekawa et al., 2011))

Figure 30. Assemblage du résistosome ZAR1 après induction par PBL2UMP.

L’interaction de PBL2UMP (en bleu) avec le complexe préformé ZAR1-RKS1 (ZAR1-RKS1 inactif) déclenche des changements de conformation dans le NBD de ZAR1 ainsi que le relargage de l’adénosine diphosphate (ADP), permettant au complexe de lier du dATP ou de l’ATP. La liaison au dATP ou à l’ATP induit un remodelage structurel et un repliement de ZAR1, ce qui résulte en une activation complète de ZAR1 (ZAR1-RKS1-PBL2UMP activé) et à la formation du résistosome ZAR1 (montré en vue du dessus et vue de côté). L’hélice (1) en N-terminal (en rouge) de ZAR1 est cachée dans le complexe inactif ZAR1RKS1 et devient exposée au solvant dans le complexe activé ZAR1-RKS1-PBL2UMP. Dans ce dernier, les hélices (1) forment une structure en forme d’entonnoir (entourée en violet) dans le résistosome ZAR1 qui est requise pour l’association de celui-ci avec la membrane plasmique, le déclenchement de la mort cellulaire et la résistance à la maladie. (d’après (Wang et al., 2019))

fonction d’activation de la signalisation en aval (exécuteur). C’est le cas pour l’inflammasome NAIP/NLRC4 qui est composé de paires de NLRs senseur/exécuteur (helper). Dans ce système, NAIP est le NLR senseur et NLRC4 est le NLR helper. Le NLR helper est une NLR qui fonctionne pour transduire le signal en aval du senseur NLR (Duxbury et al., 2016) (Figure 28).

Comme nous l’avons vu, les NLRs chez les animaux sont également impliqués dans la mort cellulaire programmée qu’est l’apoptose. En effet, chez l’homme, la voie intrinsèque de l’apoptose est déclenchée en réponse au relargage du cytochrome c par les mitochondries et aboutit à l’activation de certaines caspases qui exécutent le programme de mort cellulaire. Ce processus physiologique est contrôlé par le facteur pro-apoptotique Apaf-1 (Figures 27 et 28) (Li et al., 1997; Zou et al., 1997; Cecconi et al., 1998), une protéine NLR-like qui constitue la brique de base de l’apoptosome, une structure macromoléculaire formée dans la voie apoptotique dite intrinsèque. Cette structure sert de plateforme pour l’activation de molécules effectrices spécifiques, les caspases apoptotiques, qui vont enclencher la mort cellulaire (Mermigka et al., 2020).