Inflamasom

Inflamasom adalah kompleks protein yang berperan dalam pertahanan tubuh dan inflamasi (peradangan). Kompleks protein dari inflamasom terdiri dari protein sensor, caspase inflamasi, dan protein adaptor. Inflamasom dapat diaktifkan oleh berbagai rangsangan endogen dan eksogen, yang mengarah pada aktivasi enzimatik utamanya caspase-1, dan menghasilkan sekresi IL-1β dan IL-18, serta kematian sel disebut piroptosis.  

Beberapa inflamasom telah dideskripsikan, termasuk NLRP3, NLRP1, AIM2, NLRC4, dan pyrin. NLRP3 sejauh ini merupakan NLR yang paling banyak dipelajari. Perakitan inflamasom NLRP3, AIM2, dan pyrin sangat bergantung pada protein adaptor ASC. Sedangkan pada NLRP1 dan NLRC4, karena keduanya memiliki domain CARD, sehingga keduanya dapat menginduksi perakitan inflamasom dan piroptosis secara independen dari ASC.  

Beberapa produk bakteri dan virus berada di dalam sitoplasma sel inang, dan ini akan dikenali oleh molekul sensor NLR, AIM2, dan pyrin. Sensor selanjutnya merekrut ASC untuk membentuk kompleks multimerik, yang kemudian merekrut procaspase-1 ke dalam kompleks. Selanjutnya procaspase-1 diubah menjadi caspase-1 aktif. Setelah itu, subunit caspase-1 aktif, membelah pro-IL-1β dan pro-IL-18 untuk menghasilkan sitokin IL-1β dan IL-18, dan mengaktifkan gasdermin D, molekul pembentuk pori. Itu merupakan jalur umum dan yang sudah diterima (kanonikal). Namun, ditemukan juga jalur non-kanonikal yang terjadi pada hilir pembelahan caspase-11.  

Kajian inflamasom termasuk bidang yang baru dalam imunologi, yang pertama kali diungkap oleh Martinon dan kolega pada 2002. Namun, kajian tentang inflamasom terus meningkat saat ini karena berperan penting pada banyak proses tubuh. Aktivasi inflamasom yang tepat sangat penting bagi inang sebagai pertahanan terhadap patogen asing atau kerusakan jaringan. Namun, aktivasi inflamasom yang menyimpang dapat menyebabkan respons jaringan yang tidak terkontrol yang berkontribusi pada berbagai penyakit, seperti gangguan autoinflamasi, gout, sindrom CAPS, dan penyakit neurodegeneratif. Upaya untuk menemukan obat-obat bertarget inflamasom terus dilakukan; salah satu yang sudah masuk dalam uji klinis yaitu dapansutril untuk pengobatan gout atau asam urat.

Penemuan
Istilah "inflammasome" diciptakan oleh Martinon dan kawan-kawan dalam laporannya pada 2002 yang menggambarkan perakitan struktur kompleks yang besar berada dalam sitoplasma sel imun yang aktif, sehingga mengarah pada aktivasi proteolitik dari caspase proinflamasi, yang mendorong respons imun dan inflamasi.

Perakitan inflamasom 

Inflamasi terjadi ketika sistem imun mengirimkan molekul sinyal serta sel darah putih ke tempat cedera atau penyakit untuk melawan bakteri, virus, dan patogen lainnya dan membantu memperbaiki jaringan yang rusak. Selama infeksi, respons imun bawaan menggunakan bentuk pertahanan pertama melalui sekelompok reseptor pengenal pola (pattern recognition receptor, PRR) untuk mengenali pola molekuler terkait patogen (pathogen-associated molecule pattern, PAMP) dan pola molekul terkait kerusakan (damage-associated molecular pattern, DAMP) yang dihasilkan dari inang. PRR dapat berupa reseptor yang diekspresikan pada permukaan membran misal reseptor serupa Toll (toll-like receptor, TLR) atau di dalam sitoplasma reseptor serupa NOD (NOD-like receptor, NLR). Kompleks inflamasom diaktifkan oleh subset PRR sitosol yang mengenali berbagai PAMP dan DAMP.

Sensor PAMP dan DAMP di dalam sitoplasma yaitu NLR, AIM2, dan pyrin. Inflamasom biasanya terdiri dari sensor, molekul adaptor ASC, dan procaspase-1. Setelah mendeteksi rangsangan tertentu, sensor selanjutnya merekrut ASC untuk membentuk kompleks multimerik, yang kemudian merekrut procaspase-1 ke dalam kompleks. Selanjutnya procaspase-1 diubah menjadi caspase-1 aktif melalui pemecahan yang diinduksi oleh kedekatan. Setelah ini, subunit caspase-1 aktif, p20 dan p10, membelah pro-IL-1β dan pro-IL-18 untuk menghasilkan sitokin IL-1β dan IL-18, dan mengaktifkan gasdermin D, pembentuk pori untuk menginduksi bentuk kematian sel yang disebut "piroptosis".

Semua anggota famili NLR mengandung domain pengikat nukleotida (NBD) dan domain LRR ujung C. Berdasarkan keberadaan domain ujung N, pyrin (PYD) atau CARD, NLR selanjutnya dapat dibagi menjadi reseptor NLRP dan NLRC. Genom manusia dan tikus masing-masing menyandi 22 dan 34 NLR. Dari protein-protein tersebut, NLRP1, NLRP3 dan NLRC4 merupakan NLR yang diketahui mampu menginduksi pembentukan inflamasom untuk mengaktifkan caspase-1. Anggota NLR lainnya yaitu NLRP12, NLRP6, dan NLRP9b juga dapat membentuk inflamasom, tetapi perannya sebagai inflamasom sensor sedang terus diteliti.

Perakitan inflamasom membutuhkan interaksi homotipik (pengikatan protein lain dari jenis yang sama) CARD-CARD atau PYD-PYD antara komponen penyusun. Selanjutnya, baik CARD atau PYD dapat menginduksi oligomerisasi yang merupakan dasar dari perakitan inflamasom. Ketika ligan terdeteksi, sensor dibebaskan dari keadaan penghambatan dan meng-oligomerisasi ASC dengan menginduksi interaksi homotipik antara domain PYD (lihat gambar). Selanjutnya, ASC merekrut pro-caspase-1 melalui interaksi antara domain CARD-nya.

Perakitan inflamasom NLRP3, AIM2, dan pyrin sangat bergantung pada protein adaptor ASC. Sedangkan pada NLRP1 dan NLRC4, karena keduanya memiliki domain CARD, sehingga dapat merekrut caspase-1 secara langsung. Dengan kata lain, NLRP1 dan NLRC4 dapat menginduksi perakitan inflamasom dan piroptosis secara independen dari ASC.

Jenis-jenis inflamasom
Beberapa inflamasom telah dideskripsikan, termasuk NLRP3, NLRP1, AIM2, NAIP-NLRC4, dan pyrin. Inflamasom NLRP3 terdiri dari molekul sensor NLRP3, protein adaptor ASC, dan pro-caspase-1. Inflamasom AIM2 mengindera DNA sitosol melalui domain HIN200 ujung C, dapat merekrut pro-caspase-1 melalui ASC untuk membentuk kompleks AIM2–ASC–pro-caspase-1. Tidak seperti NLRP3 dan AIM2, protein NLRP1 mengandung domain PYD dan CARD, yang berinteraksi langsung dengan pro-caspase-1 tanpa protein adaptor ASC, tetapi keberadaan ASC dapat meningkatkan aktivasi caspase-1 yang dimediasi NLRP1. NLRC4 hanya memiliki domain CARD, yang merekrut pro-caspase-1 secara langsung tanpa adanya ASC untuk membentuk inflamasom NLRC4.

Inflamasom NLRP3

NLRP3 sejauh ini merupakan NLR yang paling banyak dipelajari. NLRP3 juga dikenal sebagai cryopyrin dan NALP3, diregulasi sebagai respons terhadap stimulasi makrofag oleh PAMP (misal lipopolisakarida, LPS) atau sitokin inflamasi (misal TNF-α).  

Gen NLRP3 menyandi protein cryopirin. NLRP3 tidak memiliki domain perekrutan caspase (caspase recruitment domain, CARD) sehingga tidak dapat merekrut procaspase-1 kecuali dengan adanya molekul adaptor ASC. Cryopyrin adalah anggota keluarga protein yang disebut protein reseptor "NOD-like" (NLR) intraseluler. Cryopyrin ditemukan terutama dalam sel darah putih dan sel pembentuk tulang rawan (kondrosit). Cryopyrin mengenali bakteri; bahan kimia seperti asbes, silika, dan kristal asam urat; dan senyawa yang dilepaskan oleh sel yang cedera. 

Inflamasom NLRP3 dapat diaktifkan oleh aktivitas pembentuk pori dari beragam bakteri Gram-positif dan Gram-negatif, terutama dengan pemicu pengeluaran kalium (K+).

Inflamasom NLRP1 
NLRP1 diekspresikan diekspresikan dalam sel dan jaringan imun adaptif serta dalam jaringan non-hematopoietik. Berbeda dari NLR lainnya, sensor NLRP1 mengandung domain function-to-find (FIIND) dan CARD, selain domain PYD, NBD, dan LRR. Oligomerisasi NLRP1 dapat secara langsung merekrut caspase-1 melalui domain CARD-nya, dan dapat lebih ditingkatkan dengan mengikat ASC melalui domain pyrin (PYD). Genom tikus menyandi tiga paralog NLRP1 (NLRP1a, NLRP1b, NLRP1c), yang semuanya tidak memiliki PYD. NLRP1b diaktifkan oleh pembelahan pada ujung N dan domain FIIND oleh faktor mematikan (lethal factor, LF), suatu komponen toksin mematikan antraks (LeTx) yang diproduksi oleh Bacillus anthracis. Aktivasi NLRP1b oleh LeTx ini telah terbukti melindungi tikus dari infeksi Bacillus anthracis.

Inflamasom AIM2 
AIM2 juga dikenal sebagai PYHIN4, merupakan anggota dari famili PYHIN (mengandung domain Pyrin dan domain HIN200). AIM2 adalah gen yang dapat diinduksi oleh interferon. AIM2 (absent in melanoma 2) awalnya diidentifikasi selama penapisan fungsional untuk gen penekan tumor pada melanoma. AIM2 bukan termasuk dalam protein NLR, tetapi beberapa kelompok penelitian mengidentifikasi AIM2 sebagai komponen inflamasom.

AIM2 dapat membentuk inflamasom yang perakitannya dirangsang oleh pengenalan DNA sitosol dari bakteri atau virus, atau DNA dari sel apoptosis. Pengikatan DNA ke domain HIN menghasilkan perubahan konformasi dan oligomerisasi AIM2 di sekitar molekul DNA, yang selanjutnya memungkinkan perekrutan ASC dan caspase-1 membentuk inflamasom yang stabil. Serupa dengan inflamasom NLR, inflamasom AIM2 menghasilkan sekresi IL-1β dan IL-18, serta kematian sel.

Inflamasom NAIP-NLRC4 
NLRC4 diekspresikan terutama dalam jaringan dan sel hematopoietik. NLRC4 memiliki domain CARD, sehingga dapat berinteraksi langsung dengan procaspase-1 melalui pengikatan CARD-CARD homotipik yang mengarah pada pengolahan caspase-1, dan proses ini dapat independen dari ASC. NLRC4 diaktifkan sebagai respons terhadap banyak bakteri patogen termasuk Salmonella typhimurium dan Pseudomonas aeruginosa. NLRC4 berperan sebagai sensor terhadap flagelin bakteri atau komponen struktural dari sistem sekresi bakteri tipe III (T3SS). Namun, NLRC4 bukanlah sensor langsung dari ligan-ligan ini. Sistem menggunakan NAIP (NLR-family apoptosis-inhibiting protein) di sitosol sebagai sensor ligan NLRC4, sehingga NAIP penting untuk aktivasi inflamasom NLRC4. Pada manusia, telah diidentifikasi NAIP sebanyak satu buah.

Inflamasom pyrin
Pada manusia, pyrin terdiri dari PYD ujung N, B-box pusat, domain kumparan melingkar (coiled-coil), dan domain B30.2/SPRY ujung C. Penelitian menunjukkan bahwa inflamasom pyrin dirakit pada modifikasi protein sitoskeletal. Toksin yang dihasilkan oleh berbagai spesies bakteri, seperti Clostridium difficile (TcdB), Clostridium botulinum (C3), Vibrio parahemolyticus (VopS), Burkholderia cenocepacia, dan Bordetella pertussis (PT), menginduksi modifikasi kovalen anggota famili Rho. Modifikasi ini termasuk glikosilasi, adenilasi dan ribosilasi ADP, dan mengarah pada perakitan inflamasom pyrin.

Aktivasi inflamasom
Berbagai jalur aktivasi telah diidentifikasi dalam hal aktivasi inflamasom.

Aktivasi inflamasom NLRP3 
Inflamasom NLRP3 diaktifkan oleh agonis endogen dan eksogen yang beragam termasuk PAMP dan toksin dari patogen bakteri, jamur, dan protozoa, serta DAMP seperti ATP, kristal asam urat, dan fibril β-amiloid. Terdapat model dua sinyal yang diusulkan untuk aktivasi inflamasom NLRP3, sinyal pertama disebut priming (penyiapan), dan sinyal kedua ditujukan untuk perakitan inflamasom. Dalam model tersebut, sinyal pertama disediakan oleh komponen mikroba atau sitokin endogen, sedangkan sinyal kedua dari ATP ekstraseluler, toksin pembentuk pori, atau materi partikulat.

Sinyal 1 (priming) melibatkan aktivasi jalur pengaktifan MyD88 atau faktor transkripsi lainnya (misal NF-κB), yang meningkatkan regulasi ekspresi Nlrp3 dan komponen inflamasom lainnya. Sinyal 2 melibatkan beberapa peristiwa pensinyalan molekuler yang diinduksi oleh rangsangan NLRP3, termasuk pengeluaran ion kalium, disfungsi mitokondria, dan produksi spesi oksigen reaktif (ROS). Pengeluaran ion kalium sitosolik merupakan pemicu umum dalam aktivasi inflamasom NLRP3. NEK7 (NIMA-related kinase 7), suatu serin-treonin kinase terkait mitosis, berperan sebagai protein pengikat NLRP3 melalui interaksi antar domain LRR masing-masing. NEK7 beraksi sebagai hilir dari pengeluaran ion kalium untuk meregulasi oligomerisasi dan aktivasi inflamasom NLRP3. Disfungsi mitokondria merupakan pemicu lain dalam aktivasi NLRP3 melalui pelepasan DNA mitokondria (mtDNA), mitofagi, dan apoptosis. Sementara itu, ROS menginduksi pengikatan protein yang berinteraksi dengan thioredoksin ke NLRP3, yang penting untuk aktivasi inflamasom NLRP3.

Aktivasi inflamasom non-kanonikal 
Jalur umum dan yang sudah diterima (kanonikal) dalam aktivasi inflamasom yaitu perekrutan caspase-1 dalam merespons PAMP atau DAMP.  Namun, ditemukan juga jalur non-kanonikal yaitu aktivasi inflamasom NLRP3 terjadi pada hilir pembelahan caspase-11 (atau caspase-4 dan caspase-5 pada manusia) dan gasdermin D. Dalam pensinyalan inflamasom non-kanonikal, caspase-11 beraksi sebagai sensor LPS dalam sitosol. Setelah mengenali LPS, caspase-11 memulai pematangan proteolitik IL-1β dan kematian sel piroptosis yang bergantung pada gasdermin D. Caspase-11 secara langsung mengikat ke LPS melalui domain CARD. Pensinyalan caspase-11 melibatkan inflamasom NLRP3, dengan demikian merekrut silang pensinyalan caspase-1 dan memunculkan pematangan IL-1β dan IL-18.

Regulator aktivasi inflamasom 
Aktivasi inflamasom NLRP3 sebagian besar bermanfaat bagi pertahanan inang, tetapi produksi IL-1β dan IL-18 yang berlebihan dapat menghasilkan peradangan steril yang dapat meningkatkan risiko penyakit metabolik dan autoinflamasi. Oleh karena itu, aktivasi inflamasom NLRP3 harus dikontrol dengan baik, melalui protein pengikat maupun modifikasi pasca-translasi.

Anggota famili POP (pyrin-only protein) termasuk POP116 dan POP216 mengeblok perakitan inflamasom dengan mengikat ASC dan menghambat perekrutan ASC ke NLRP3. Molekul regulator negatif yang menyasar pada penghabisan ion, fungsi mitokondria, dan pensinyalan ROS juga dapat mengeblok aktivasi inflamasom NLRP3. Misalnya, senyawa badan keton β-hidroksibutirat dapat menghambat inflamasi yang diperantarai inflamasom NLRP3 dengan mencegah pengeluaran ion kalium.

Modifikasi pasca-translasi NLRP3, termasuk ubiquitinasi dan deubiquitinasi, juga dapat menekan atau mengaktifkan aktivasi inflamasom. Selama langkah aktivasi, fosforilasi NLRP3 oleh protein kinase D (PKD) diperantarai Golgi pada Ser293 (atau Ser295 manusia) dapat memicu perakitan inflamasom. Sebaliknya, fosforilasi NLRP3 oleh PKA pada Ser 291 mencit memperantarai regulasi negatif inflamasom NLRP3 yang diinduksi asam empedu. Selain enzim fosforilasi, enzim deubiquitinasi juga terlibat dalam regulasi inflamasom. Misalnya, BRCC3 mendorong aktivasi inflamasi dengan men-deubiquitin NLRP3 pada domain LRR. ABRO1, suatu komponen kompleks BRCC3, dapat meningkatkan aktivasi inflamasom NLRP3 dengan mengatur deubiquitinasi NLRP3 setelah induksi LPS.

Peran pada kesehatan

Pertahanan antimikroba
Efek utama dari aktivasi inflamasom adalah piroptosis dan/atau sekresi IL-1β dan IL-18, yang memberikan perlindungan terhadap mikroorganisme yang menyerang tubuh. Protein-protein inflamasom diekspresikan terutama oleh makrofag dan sel dendritik. Jaringan utama dan sel yang terlibat dalam pertahanan yang dimediasi inflamasom terhadap infeksi mikroba yaitu intestinal dan paru-paru. Sel epitelial merupakan sel pelapis penting pada permukaan tubuh tersebut, dan inflamasom diketahui terlibat dalam pertahanan di sana. Pada kasus pertahanan antiviral, inflamasom NLRP3 telah diktehui terlibat dalam penghambatan replikasi virus.

Mikrobiota komensal 
Inflamasom juga dapat berperan dalam membentuk komposisi mikrobiota usus. Mencit yang kekurangan NLRP6 memiliki perubahan komposisi mikrobiota usus yang dicirikan oleh keberadaan spesies Prevotellaceae dan menjadi lebih rentan mengalami kolitis. Perubahan komposisi mikroba dan kerentanan terhadap kolitis ini dapat ditularkan ke mencit normal, yang menunjukkan bahwa fenotipe ini diperantarai oleh perubahan mikrobiota usus. Perakitan inflamasom NLRP6 dan sekresi IL-18 diperlukan untuk pemeliharaan hemostasis usus melalui regulasi komposisi mikrobiota, dan ketiadaan inflamasom NLRP6 mengarah pada perluasan anggota mikrobiota yang berpotensi patogen.

Kematian sel "piroptosis" 
Piroptosis adalah bentuk kematian sel yang diinduksi oleh aktivasi inflamasom, ditandai dengan pembengkakan sel yang diikuti dengan lisis dan pelepasan isi intraseluler. Gasdermin D telah diidentifikasi sebagai penghubung antara kematian sel dan aktivasi caspase-1 dan/atau caspase-11. Piroptosis caspases 1 dan 11 (caspase-4 dan caspase-5 pada manusia) membelah Gasdermin D pada D276 di wilayah penghubung, sehingga menghilangkan efek penghambatan intramolekul dari domain ujung C. Setelah pengikatan pada lipid membran, wilayah ujung N dari Gasdermin D (GSDMD-N) beroligomerisasi membentuk pori-pori dengan diameter dalam 10 hingga 18 nm. Pembentukan pori-pori ini mengganggu potensi osmotik sel, sehingga menyebabkan pembengkakan dan lisis. Ekspresi fragmen ujung N juga cukup untuk membunuh sel bakteri.

Peran pada penyakit

Penyakit CAPS
Mutasi pada NLRP3 menyebabkan sindrom berkala terkait cryopyrin (cryopyrin-associated periodic syndromes, CAPS). CAPS dianggap sebagai penyakit autoinflamasi daripada autoimun, karena penyakit diperantarai terutama oleh sitokin dari sistem imun bawaan terutama IL-1β. Tanda dan gejala CAPS mempengaruhi beberapa sistem tubuh. Umumnya, CAPS ditandai dengan episode berkala ruam kulit, demam, dan nyeri sendi. Episode ini dapat dipicu oleh paparan suhu dingin, kelelahan, stresor lain, atau mungkin muncul secara spontan. Episode dapat berlangsung dari beberapa jam hingga beberapa hari. Episode ini biasanya dimulai pada masa bayi atau anak usia dini dan bertahan sepanjang hidup. Pasien CAPS merespons secara positif jika diobati dengan pengeblok IL-1, yang menunjukkan bahwa produksi IL-1β yang tidak tepat oleh inflamasom NLRP3 merupakan pendorong dari perkembangan CAPS.

Penyakit asam urat 
Penyakit asam urat (atau gout, pirai) ditandai dengan serangan inflamasi yang menyakitkan, disebabkan oleh pengendapan kristal monosodium urat (MSU) di sendi. Studi menunjukkan bahwa mekanisme respons inflamasi yang diinduksi MSU tergantung pada sitokin proinflamasi IL-1β. Fenotipe inflamasi yang bergantung pada IL-1 ini sekarang dipahami bergantung pada pembentukan inflamasom NLRP3 sebagai respons terhadap 'sinyal bahaya' kristal asam urat. Makrofag dengan ketiadaan komponen-komponen inflamasom NLRP3 tidak dapat mengeluarkan IL-1β aktif setelah stimulasi dengan MSU dan kristal kalsium pirofosfat dihidrat.

Selama fase inisiasi, kristal MSU yang diendapkan di dalam sendi merangsang TLR ekstraseluler yang diekspresikan oleh monosit residen, mengarah pada transkripsi pro-IL-1β. Kristal MSU juga difagositosis oleh monosit residen, yang diatur secara positif oleh aktivasi TLR, menghasilkan oligomerisasi inflamasom NLRP3, aktivasi caspase-1, dan pembelahan pro-IL-1β menjadi IL-1β aktif.

Inhibitor inflamasom NLRP3

Keterlibatan inflamasom NLRP3 dalam berbagai jenis penyakit mendorong peneliti untuk menemukan obat bertarget NLRP3. Pengobatan klinis penyakit terkait NLRP3 baru digunakan antibodi IL-1β atau antagonis reseptor IL-1β rekombinan, seperti canakinumab dan anakinra. Namun, inhibitor ini memiliki kelemahan karena penyakit inflamasi tidak hanya melibatkan IL-1β saja sebagai penyebab. Selain itu, IL-1β dapat diproduksi oleh jalur tidak tergantung-inflamasom, dan sitokin ini bisa juga dihasilkan dari inflamasom jenis lainnya. Oleh karena itu, inhibitor yang menargetkan IL-1β dapat menyebabkan efek imunosupresif yang tidak diinginkan.

Beberapa senyawa molekul kecil telah menunjukkan efek antiinflamasi pada aktivasi inflammasome NLRP3 in vitro, termasuk MCC95090, beta-hidroksibutirat, Bay 11-7082, dimetil sulfoksida (DMSO), dan interferon tipe I.

Dapansutril (OLT1177), senyawa oral aktif β-sulfonil nitril, adalah obat baru yang dikembangkan yang secara khusus menghambat inflammasome NLRP3. Pada uji in vitro, konsentrasi nanomolar OLT1177 mengurangi pelepasan IL-1β dan IL-18 setelah aktivasi inflamasom NLRP3 kanonikal dan nonkanonikal. Molekul tidak menunjukkan efek pada inflamasom NLRC4 dan AIM2, menunjukkan spesifisitas untuk NLRP3. Pada uji klinis fase 2a, dapansutril menunjukkan profil keamanan yang memuaskan dan kemanjuran dalam pengurangan nyeri sendi target.

Referensi

Kompleks protein
Sitokin
Imunologi