固有免疫是宿主防御系统的重要组成部分，Toll/白细胞介素-1受体（TIR）结构域是固有免疫信号通路中一类进化上高度保守的蛋白模块，广泛存在于多种免疫受体和接头蛋白中。在细菌、植物和动物中，TIR结构域被证实以酶的形式催化NAD⁺水解，产生参与免疫信号或细胞死亡的重要代谢物；而在动物固有免疫信号通路中，TIR结构域长期视作不具备酶活性的蛋白相互作用“支架”。动物固有免疫受体的TIR结构域是否具有催化活性、该活性如何参与信号复合物组装，是理解TLR/IL-1R信号启动的关键科学问题。
11月12日，上海科技大学生命科学与技术学院张晨璐课题组联合上海交通大学生命科学技术学院胡泽汗课题组、西湖大学与西湖实验室韩志富团队、中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心张一小团队，在国际学术期刊《科学》（Science）发表题为“A trapped catalytic product acts as molecular glue for innate immune signalosome assembly”的研究论文，揭示了TLR4 TIR结构域具有变构激活、单周转的NAD⁺水解酶活性，其催化产物ADP-核糖（ADPR）作为“分子胶水”驱动TLR4-TIRAP-MyD88信号体组装（图1）。
图1 TLR4-TIRAP-MyD88信号体组装的“产生-捕获”机制
研究首先在TLR家族成员（TLR1、TLR2、TLR4、TLR6等）的TIR结构域中鉴定出保守的NAD⁺水解酶催化的谷氨酸残基，提示了TIR结构域的催化潜能可能在TLR家族中具有广泛的分布。随后通过重组TLR4-TIR蛋白，结合体外水解实验与高分辨质谱分析，证实TLR4-TIR能够催化NAD⁺水解，生成ADP-核糖（ADPR）和烟酰胺（NAM）。然而，ADPR并未释放至反应上清中，而是与蛋白稳定结合。进一步实验表明，TLR4-TIR具有单次周转的酶活特征：ADPR能够占据催化口袋，限制后续催化循环。体外重构实验发现，TIRAP-TIR与TLR4-TIR的相互作用能够促进NAD⁺水解酶活性，该过程对于三元复合物的初始成核至关重要。
团队利用冷冻电镜解析了TLR4-TIRAP-MyD88 TIR三元复合物的高分辨率结构，揭示了ADPR在TLR4-TIR与TIRAP-TIR结合界面口袋中的结合方式。结合结构与功能数据分析，提出了信号复合物组装的“产生-捕获”机制：TLR4受体二聚化促进胞内TIR结构域发生构象变化，TIRAP-TIR与TLR4-TIR相互作用稳定其催化构象并促进NAD⁺水解；随后生成的ADPR被捕获作为“分子胶水”进一步稳定两者的相互作用，从而促进MyD88募集及更高阶信号复合物组装。团队进一步构建Tlr4E748Q催化位点突变小鼠，利用脂多糖诱导的脓毒症小鼠模型展开病理分析。相较于野生型小鼠，Tlr4-/-小鼠和Tlr4E748Q突变小鼠在造模后存活率显著提高，脓毒症评分、脾脏病理损伤及炎症因子表达均明显减轻，提示该保守谷氨酸介导的催化活性对TLR4体内信号激活具有关键作用（图2）。
图2 TLR4 TIR结构域中的保守谷氨酸：驱动信号转导的关键
该工作发现TLR4-TIR具有受构象变化调控的NAD⁺水解酶活性，揭示ADPR通过“产生-捕获”机制促进固有免疫信号体组装，改写了将动物固有免疫受体TIR结构域视为非酶支架的传统认知，为理解固有免疫信号体的组装及其代谢调控提供了新的机制框架，并提示选择性调节TLR4-TIR酶活性可能为脓毒症和炎症性疾病的治疗提供新的策略。
上海交通大学博士后刘琦、中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心博士生柏忠谏、上海交通大学生命科学技术学院博士生刘天怡、河南师范大学抗病毒性传染病创新药物全国重点实验室与平原实验室贾方帅博士、上海科技大学生命科学与技术学院博士生季逸为该论文的共同第一作者。上海交通大学生命科学技术学院胡泽汗教授、上海科技大学生命科学与技术学院张晨璐教授、西湖大学与西湖实验室韩志富研究员、中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心张一小研究员为该论文的共同通讯作者。
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