Intracellular NAD+ depletion promotes NLRP3 inflammasome activation

Abstract

Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) is an essential cofactor to various redox reactions as an electron carrier in all living cells. NAD+ plays important roles in fundamental biological processes including glycolysis, fatty acid β-oxidation, and ATP synthesis. In addition, NAD+ is consumed by several NAD+-consuming enzymes in non-redox reactions. A large number of studies demonstrated that the level of NAD+ is declined as one ages and the reduction of NAD+ level is associated with aged-related diseases which were known to be caused by excessive inflammation. Recently, studies of the association between disruption of NAD+ homeostasis and inflammation have consistently emerged, however, the detailed mechanism underlying the effect of NAD+ depletion on immune response remains poorly understood. Here, I examined the potential role of intracellular NAD+ depletion in the innate immune response. My data demonstrated that reduced NAD+ level promotes NLRP3 inflammasome activation, indicated by the activation of caspase-1 in macrophages. My observation showed that intracellular NAD+ depletion does not activate TLR, RLR pathway, and it is not related to NLRC4, AIM2 inflammasome activation. However, reduced NAD+ level could promote the NLRP3 inflammasome activation as an activator of priming step. In addition, cleaved GSMDM, the effector molecule of programmed lytic cell death, was observed in NAD+ depleted macrophages. Interestingly, I have also observed that the mitochondria move toward perinuclear region and generates the clustering, and the NLRP3 is translocated into mitochondria upon NAD+ depletion in macrophages. Along with previous studies that mitochondria movement and NLP3 translocation is important factor in inflammasome activation, NAD+ depletion could be a potential contributor in inflammasome activation. Taken together, this finding clearly proposes that depletion of intracellular NAD+ promotes NLRP3 inflammasome activation in macrophages. Moreover, therapeutic strategy to restore intracellular NAD+ level might provide opportunities for patients suffering from age-related diseases.

NAD+는 전자 수용체로서 세포 내 다양한 산화환원반응에 관여한다. 대표적으로 해당작용, 지방산의 베타 산화, 그리고 ATP 합성에 관여한다고 알려져 있다. 이외에도 PARP1, CD38, SARM1 과 같은 여러 효소들이 NAD+를 기질로 사용함으로써 다양한 세포의 생리활성 조절에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 특히 이러한 효소들은 손상 DNA 의 수리, 인슐린 대사, 세포의 노화 조절기능을 담당하고 있다고 보고되었다. 체내에 존재하는 NAD+의 양은 노화가 됨에 따라 감소하는 것으로 잘 알려져 있으며, 이러한 감소는 에너지 생산의 감소 및 효소의 활성의 저하로 이어져 알츠하이머나 당뇨병 등과 같은 퇴행성 질환의 원인이 될 수 있다고 알려져 있다. 이러한 질환들은 과도한 선천 면역반응에 의해서도 발병, 진행될 수 있다고 보고되었으며, 관련 질병을 가진 환자들에게서 선천 면역반응의 결과물인 사이토카인이 증가되어 있다는 결과가 밝혀졌다. 하지만, 생체 내 NAD+의 불균형과 선천 면역반응 사이의 상관성에 대한 연구가 지속적으로 보고되었음에도 현재까지 면역반응에서 NAD+의 역할이 명확하게 밝혀진 것이 없다. 본 연구에서는 선천 면역반응에서 NAD+의 역할을 확인하고자 진행되었다. 마우스 골수 대식세포에서 NAD+가 감소하였을 경우 NLRP3 인플라마좀 활성이 유도되었음을 확인하였으며, 그 결과 카스파제-1(caspase1)이 활성화되는 것을 확인하였다. 또한 활성화된 카스파제-1 에 의해 gasdermin D 의 가수분해를 통해 염증성 세포사인 파이롭토시스(pyroptosis)가 유도되는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라 NAD+ 가 감소함에 따라 NLRP3 의 미토콘드리아로의 위치 변화가 관찰되었으며, 미토콘드리아들은 핵 주위로 모여 클러스터를 이루는 것을 확인되며, 이러한 변화들은 NLRP3 인플라마좀 활성에 기여할 것으로 추측된다. 위의 결과들을 토대로 본 연구에서는 골수 대식세포에서 NAD+의 감소가 NLRP3 인플라마좀의 활성 유도 및 선천면역반응에 관여할 수 있다는 것을 제시한다.