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炎症体NLRP3发挥作用的相关调控机制

更新时间:2020-09-25 08:20点击:

   摘要:炎症体是模式识别受体的- -种,其激活过程与促炎细胞因子白细胞介素( IL) -1β、 IL-18 的成熟与分泌直接相关,在体液免疫中可发挥重要作用。越来越多的研究发现,炎症体与动脉粥样硬化、糖尿病、痛风等多种疾病的发生发展关系密切,而炎症体的激活及其发挥作用的具体调控机制并不明确,本文从可能与NLRP3 炎症体调控密切相关的氧化应激、内质网应激、自噬反应等方面进行了综述。
 
   关键词: NLRP3; 炎症体,氧化应激; 内质网应激;自噬
 
炎症体的概念最早由 Martinon 等[1]提出,其来源主要是模式识别受体 ( pattern recognition receptors,PRRs) 中的核苷酸结合寡聚化结构域 ( nucleotide-binding oligomerization domain,NOD) 样受体 ( NOD-like receptors,NLRs) 在活化含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白酶 1 ( caspase-1) 过程中形成的大分子蛋白复合体,而该过程对白细胞介素 ( interleukin,IL) -1β 等促炎因子的成熟、分泌起到重要作用。目前发现的炎症体包括 NLRP1、NLRP3、细胞质 DNA 传感器黑色素瘤缺乏因子 ( absent in melanoma,AIM) 、白细胞介素转换酶激活因子 ( interleukin-1β converting enzyme pro-tease-activating factor,IPAF) 等,其中以 NLRP3 研究最为深入。
 
  NLRP3 炎症体的组成与激活
 
  NLRP3 炎症体的组成 NLRP3 炎症体主要由 NL-RP3 蛋白、caspase-1、凋亡相关点样蛋白 ( apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD,ASC )组成。NLRP3 蛋白的主要结构为核苷酸结合寡聚化结构域 ( nucleotide-binding oligomerization domain,NOD/NACHT) 及其 C-端的亮氨酸重复序列 ( leucine richrepeat,LRR ) 和 N-端 的 胱 天 蛋 白 酶 募 集 结 构 域( caspase-activating and recruitment domain,CARD) 或热蛋白结构域 ( pyrin domain,PYD)[2].caspase 家族主要与细胞凋亡和炎症反应相关,作为 caspase 家族的一员,caspase-1 主要参与炎症反应,其与促炎细胞因子 IL-1β 和 IL-18 前体的成熟、分泌密切相关,在NLRP3炎症体促炎作用中发挥核心作用。ASC 主要结构包括与 NLRP3 蛋白连接的 PYD 和与 caspase-1 连接的 CARD.作为衔接蛋白的 ASC,其磷酸化在炎症体激活过程中尤为重要,并且酪氨酸激酶 ( spleen tyro-sine kinase,SYK) 、c-Jun 氨基末端激酶 ( c-Jun N-ter-minal kinase,JNK) 能上调 ASC 的磷酸化[3].
 
  NLRP3 炎症体的激活 与 Toll 样受体 ( Toll-likereceptor,TLR) 不同,NLRP3 主要在细胞内感受刺激呈递信号[4].研究发现,多种外源性和内源性刺激物可激活 NLRP3 炎症体,如脂多糖 ( lipopolysaccharide,LPS)[1]、尿 酸 结 晶 ( monosodium urate,MSU)[5]、ATP[6]、胆固醇结晶[7]、氧化低密度脂蛋白 ( oxidizedlow-density lipoprotein,ox-LDL)[8]等。关于其激活过程,目前认为可能与钾离子流出机制[6]、活性氧 ( re-active oxygen species,ROS) 产生机制[9]和溶酶体损伤机制[10]有关。此外,NLRP3 炎症体的激活还涉及TLRs 和核因子 κB ( nuclear factor-κB,NF-κB) 的相关通路[11].
 
  NLRP3 炎症体发挥作用的相关调控机制
 
    氧化应激反应与 NLRP3 炎症体的激活 氧化应激是指机体遭受各种刺激时体内氧化与抗氧化作用失衡,大量氧化产物堆积,导致机体损伤的一种病理过程,其中线粒体产生的 ROS 在氧化应激中发挥重要作用。近来研究发现,线粒体与 NLRP3 炎症体的激活关系密切。多数研究认为,NLRP3 炎症体激活是由线粒体与溶酶体相关作用介导的,且该过程主要与 ROS 的产生有关[12].如 ox-LDL 不仅在动脉粥样硬化 ( ather-osclerosis,AS) 的发病过程中起到重要作用,而且能够刺 激 NLRP3 炎 症 体 的 激 活,该 过 程 需 依 赖ROS[13-14].在高半胱氨酸存在的肾小球损伤及硬化过程中,内源性的超氧化物 ( O2-) 、过氧化氢 ( H2O2)在 NLRP3 炎症体的形成和激活中有重要作用[15].
 
  Zhou 等[16]通过阻断呼吸链上的关键酶 Complex I 和Complex Ⅲ的方法促进 ROS 的生成,并在人单核细胞型淋巴瘤 THP1 细胞培养上清液中观察到 ROS 的产生与 IL-1β 的生成相关,而在敲除 NLRP3 或 caspase-1 基因的 THP1 细胞中应用呼吸链酶抑制剂后并未观测到IL-1β 的分泌。为了更直接地确定线粒体在 NLRP3 炎症体激活中的作用,其在随后的研究中采用阻断与ROS 产生关系更为密切的电压依赖型阴离子通道( voltage-dependent anion channels,VDAC) 的方式,通过短 发 夹 RNA ( short hairpin RNA,shRNA) 沉 默VDAC 基因,再应用 MSU 等刺激物后,炎症体的激活受到明显抑制。在人骨髓间充质干细胞 ( human mar-row mesenchymal stem cells,hMSCs) 与巨噬细胞共培养的过程中,应用 LPS 或者 ATP 刺激巨噬细胞观察NLRP3 炎症体的激活情况,结果发现 hMSCs 可以分泌一种被称为斯钙素 ( stanniocalcin,STC) -1 的抗凋亡蛋白,它可以通过抑制 ROS 产生来阻止 NLRP3 炎症体激活及 IL-1β 分泌[17].此外,吞噬细胞表达的两种蛋白 S100A8 和 S100A9 可以通过 ROS 产生过程参与NLRP3 蛋白和 IL-1β 前体的表达[18].
 
  另有不同观点认为,NLRP3 炎症体的激活并不一定依赖 ROS 的产生。恶唑烷酮类抗生素利奈唑胺可以不依赖 ROS 而激活 NLRP3 炎症体,ROS 可能并不是直接在 NLRP3 炎症体激活中发挥作用,而是对成熟后的 IL-1β 的外排过程起作用。但无论是否依赖 ROS,激活 NLRP3 的通路都与线粒体功能障碍相关,特别是与线粒体脂质双磷脂酰甘油相关,其可能机制为线粒体脂质双磷脂酰甘油可以直接与 NLRP3 结合组成聚合物来抑制 NLRP3 炎症体的激活[19-20].因而有学者提出,线粒体参与 NLRP3 炎症体激活的过程不仅是从ROS 产生途径,还依赖于线粒体的整体功能[21].
 内质网应激反应与 NLRP3 炎症体的激活 内质网应激 ( endoplasmic reticulum stress,ERS) 在慢性炎症类疾病的发生发展中起到重要作用,而其与炎症相关性的具体机制仍不清楚。多种 ERS 诱导剂可以引起IL-1β 的分泌,其主要机制可能是 ERS 通过作用于NF-κB 信号通路,促进 IL-1β 前体物质的释放并激活NLRP3 实现的[22].有研究显示,在烫伤小鼠模型中注射 LPS 后,其肝脏组织中 NLRP3 炎症体相关基因和ERS 相关基因蛋白表达量明显增加[23].应用牛血清白蛋白刺激肾脏上皮细胞 ( NRK-52E) 可导致 NLRP3炎症体的激活,同时表达的还有内质网标志物钙网蛋白,而应用牛磺熊去氧胆酸 ( taurine-conjugated ur-sodeoxycholic acid,TUDCA) 使细胞对 ERS 适应性增加后可以抑制炎症体激活,表明 ERS 在炎症体的激活过程中发挥作用,增强细胞对 ERS 的适应性可以抑制炎症体的激活,进而改善蛋白尿对肾上皮细胞的炎性损伤[24].X 盒结合蛋白 1 ( X-box-binding protein 1,XBP1) 是 ERS 反应的重要转录调控因子,是多种疾病的潜在治疗靶点,相关研究显示其可能通过内质网相关瞬时感受器电位钙离子通道蛋白 1 ( transient re-ceptor potential calcium channel protein 1,TRPC1) 分泌的一种新的信号肽参与 NLRP3 炎症体调节的 IL-1β/IL-18 的成熟及下游免疫反应过程[25].未折叠蛋白反应 ( unfolded protein response,UPR) 是 ERS 中的一条重要信号通路。有研究认为,硫氧还原蛋白相互作用蛋白 ( thioredoxin-interacting protein,TXNIP) 在 UPR中起重要作用,且 TXNIP 的产生依赖需肌醇酶 1α( inositol requiring kinase1α,IRE1α) ,上调 TXNIP 表达水平有助于 NLRP3 炎症体的激活[26].ERS 之所以能够引起 NLRP3 炎症体激活并促进促炎因子 IL-1β 释放,可能与通过内质网起作用的促炎信号和 NLRP3 炎症体激活的相关机制如 ROS 产生、钾离子外流等过程关系密切,在发生 ERS 的细胞内,NLRP3 炎症体可以感知并响应 ERS 下游信号,最终通过不同于 UPR 的不典型 ERS 反应,使得 ERS 与慢性炎症相联系[27].
 
  另有相反的观点认为,促炎因子 IL-1β 的成熟、分泌与 ERS 相关,但与 NLRP3 炎症体无关。应用 LPS刺激巨噬细胞使其发生 ERS,发现 IL-1β 前体物质的成熟 在 ASC 蛋 白 缺 失 的 情 况 下 发 生,该 过 程 中caspase-8 起到重要作用,而 caspase-8 的激活又依赖TLR4 及其招募的 β 干扰 素 TIR 结构域衔接蛋白( TIR-domain-containing adaptor inducing interferon-β,TRIF) 信号分子,故认为 IL-1β 的成熟分泌与 NLRP3无关,而是通过 TLR4-ERS 相关通路调控[28].
 
  自噬反应与炎症体激活的相互调控 自噬在疾病中的作用越来越受到人们的关注,新近研究发现,NLRP3 炎症体与自噬能够相互调控。自噬可以双向调控 NLRP3 炎症体的激活。在大鼠胰岛瘤细胞系 ( insu-linoma cell line,INS-1 ) 中,棕榈酸 ( palmitic acid,PA) 可以诱导自噬,将含有自噬相关基因 7 ( autoph-agy-related 7,Atg7) 片段的质粒转染入 INS-1 后,与对照组相比组织蛋白酶 B ( cathepsin B,CTSB) 、促炎因子表达均明显增加; 在应用 siRNA 沉默 CTSB 后,IL-1β 等促炎因子表达减少; 沉默 NLRP3 基因后,与对照组相比 IL-1β 等促炎因子明显减少,表明在 INS-1内自噬反应可以促进 NLRP3 炎症体的激活,且该过程是通过过表达 CTSB 实现的[29].与此相反,在巨噬细胞离体实验中,抑制自噬蛋白 LC3B 和 Beclin1 的表达后,在 LPS 或 ATP 刺激下 caspase-1、IL-1β/IL-18 的表达反而增加,进一步实验证明适度自噬反应可以维持线粒体的完整性,进而抑制 NLRP3 炎症体的激活[30].以上研究表明,自噬反应发生后对炎症体激活是促进还是抑制似乎与自噬程度相关。此外,炎症体激活后也可以促进或抑制自噬反应,但这种双向调控的具体机制还不明确。通过激活炎症体,尤其是NLRP3炎症体,可以抑制线粒体自噬,影响线粒体的自我清除,进而对 AS 等疾病进展起到促进作用[31].
 
  也有相反的研究显示,NLRP3 炎症体的激活可以促进自噬,应用 MSU 刺激骨母细胞 ( osteoblasts,OBs) 可以激活 NLRP3 炎症体并诱导 NLRP3 依赖的自噬反应,同时 NLRP3 炎症体还参与调控 OBs 内尿酸结晶-自噬体 ( MSU-autophagosomes) 的形成[32].
 
  总结与展望
 
  模式识别受体在先天性免疫中发挥重要作用,其参与的无菌炎症等反应在多种代谢性疾病中的作用越来越受到人们的重视。AS 等代谢性疾病的发生是以炎症反应为主要改变的复杂病理过程,而炎症体作为纽带将炎症与氧化应激、ERS、自噬等病理过程相联系,为更深入研究相关疾病的发病机制并发现可能的有效治疗靶点提供了方向。但目前相关研究还有很大局限性,如线粒体与 NLRP3 炎症体的激活关系是否通过 ROS 产生过程实现有待证实; 虽然多数研究肯定NLRP3炎症体的激活与自噬作用相关,但炎症体激活与自噬反应之间的双向调控作用还有待进一步探讨。总之,炎症体相关调控机制可能为AS、糖尿病等代谢性疾病的防治提供新的方向,需要更为深入的研究。
 
  参 考 文 献
 
  [1] Martinon F,Burns K,Tschop PJ. The inflammasome: a mo-lecular platform triggering activation of inflammatory caspasesand processing of pro IL-β [J]. Mol Cell,2002,10 ( 2) :417-446.
 
  [2] Schroder K,Tschop PJ. The inflammasomes [J]. Cell,2010,140( 6) : 821-832.
 
  [3] Hara H,Tsuchiya K,Kawamura I,et al. Phosphorylationof the adaptor ASC acts as a molecular switch that controls theformation of speck-like aggregates and inflammasome activity[J]. Nat Immunol,2013,14( 12) : 1247-1255.
 
  [4] Franchi L,McDonald C,Kanneganti TD,et al. Nucleotide-binding oligomerization domain-like receptors: intracellularpattern recognition molecules for pathogen detection and hostdefense [J]. J Immunol,2006,177( 6) : 3507-3513.
 
  [5] Shi Y,Evans JE,Rock KL. Molecular identification of adanger signal that alerts the immune system to dying cells[J]. Nature,2003,425( 6957) : 516-521.
 

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