NLRP3炎症体与炎症性疾病_蒋建烨.pdf

收稿日期:2011-10-13;修回日期:2011-12-29基金项目:湖南省教育厅重点项目(11A103);湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目(湘教通 2011 272 号)作者简介:蒋建烨(1981-)，女，硕士，主要从事抗感染免疫的研究。E-mail:jjyhebei126 com通信作者:张艳，Email:nhzhangyan yahoo com cn综述NLRP3 炎症体与炎症性疾病蒋建烨，田湉 综述;张艳 审校(南华大学病原微生物研究所，衡阳 421001)摘要:炎症体是胱天蛋白酶的活化平台，并促进一些前炎症细胞因子如 IL-1、IL-18 和 IL-33 的成熟，启动机体的先天性免疫防御功能。炎症体的激活和失调与人类先天及后天的炎症性疾病都密切相关。通过对 NLRP1、NL-RP3、IPAF 和 AIM2 炎症体调节机制的研究，可为家族性周期性自身炎症反应、痛风、II 型糖尿病等的治疗提供新的靶点。主要就 NLRP3 炎症体的组成、分布和调节机制及与 NLRP3 炎症体相关的炎症性疾病进行了简要介绍。关键词:炎症体;NLRP3;IL-1中图分类号:R378 2+3文献标志码:A文章编号:1005-5673(2012)01-0079-04NLRP3 inflammasomes and inflammatory diseasesJIANG Jian-ye，TIAN Tian，ZHANG Yan(Institute of Pathogens of University of South China，Hengyang 421001，China)Abstract:Inflammasomes is a platform of caspase activation that trigger the maturation of proinflammatory cytokines such asinterleukin-1，IL-18 and IL-33 to engage innate immune defenses The activation and disproportion of inflammasome ishighly relevant to human heritable and acquired inflammatory diseases Regulatory mechanism of the NLRP1，NLRP3，IPAF and AIM2 inflammasomes are linked a number of diseases such as familial periodic self-inflammation，gout，T2Dwhich can provide some new targets for clinical treatment This review will mainly introduce the composition，distributionand regulatory mechanism of inflammasome and inflammatory diseases associated with NLRP3Key words:Inflammasome;NLRP3;IL-1固有免疫又称为非特异性免疫，它被认为是机体防御的第一道防线，参与固有免疫的细胞包括吞噬细胞(巨噬细胞、单核细胞、中性粒细胞)树突状细胞和上皮细胞等。其中吞噬细胞通过模式识别受体(Pattern recognition receptor，PRR)1 识别和吞噬病原体或分泌多种炎性细胞因子促进炎症反应。PRR 主要表达于固有免疫细胞表面，可识别一种或多种病原相关分子模式(Pathogen-associated molecu-lar pattern，PAMP)2 的识别分子，包括膜结合受体Toll 样受体(Toll-like receptor，TLR)和 C 型外源凝集物(C-type lectin，CTL)。PAMP 是一类或一群特定的微生物病原体共有的某些非特异性、保守的分子结构，包括脂多糖(LPS)、磷壁酸(LTA)、肽聚糖(PGN)、甘露糖、细菌 DNA、螺旋体脂蛋白、病毒双链 RNA 和葡聚糖等。近来研究更多的 PRR 为胞内PRR 即 NOD 样受体(NOD-like receptor，NLR)3，它可以识别 PAMP 以及危险相关分子模式(Danger-as-sociated molecular pattern，DAMP)。其被激活后形成可以活化胱天蛋白酶(Cysteinyl aspartate-specificprotease，caspase)-1 的“炎症体”，进而诱导白介素(Interleukin，IL)-1 和 IL-18 的成熟与分泌并引起炎症反应。1NLR 家族及其分子结构NLR 分子中段为 NLR 各成员共有的特征性结构，即中央的核苷酸寡聚结构域(NACTH)，其 C 端是一个亮氨酸重复序列(LRR)，其功能是为病原或细胞内物质之间相互作用提供支架，感受和识别PAMP 或其他配体。N 端是效应结构域，由两部分组成即胱天蛋白酶招募结构域(CARD)或热蛋白结构域(PYD)，功能是将 NLR 受体分子和下游衔接蛋白及效应分子连接起来。根据 NACTH 的序列和功97微生物学免疫学进展2012 年第 40 卷第 1 期Prog in Microbiol ImmunolFeb 2012，Vol40，No 1能，NLR 家族分为三种不同亚家族，包括 NOD(NOD1-2、NOD3/NLRC3、NOD4/NLRC5、NOD5/NLRX1、CIITA)，NLRP(NLRP1-14，也称为 NALP)和IPAF 亚家族。研究发现 NLR 家族中的 NLRP1、NLRP3、IPAF、AIM-2 的功能都是通过一类被称为“炎症体”的多蛋白复合体促进 caspase-1 活化所体现的。2NLRP3 炎症体2002 年 Martinon 等4 通过对一个多蛋白复合体的研究发现，它是由 NLRP1 与凋亡相关点样蛋白(ASC)、caspase-1/5 组成，该复合体对 caspase 的激活非常重要，并命名为“炎症体”。随着研究的不断深入，NLRP3 炎症体是目前最明确的一个炎症体，它由 NLRP3 支架、ASC 和 caspase-1 三部分组成。2 1ASCASC 最初是作为一种去污剂不溶解的蛋白而发现的，参与细胞凋亡。ASC 蛋白分子包含 195 个氨基酸残基，其 N 端含有 PYD，C 端为 caspase 募集域CARD，是参与凋亡信号转导蛋白的特征性结构。ASC 作为细胞内的一类重要接头蛋白，参与 NLRP3炎症体的组成并在其中起重要作用。其 CARD 结构域是效应结构域，PYD 结构域为寡聚结构域，通过 caspase-1 活化途径中的上游信号分子来调节CARD 结构域的寡聚状态，在 caspase-1 信号途径中发挥活化因子作用5。ASC 通过其自身的 CARD结构域和 PYD 结构域介导 NLRP3 激活 caspase-1。许多上皮细胞和白细胞、外周血淋巴细胞都充分表达 ASC，免疫组化研究表明在严重的炎症部位中性粒细胞表达 ASC 升高。研究发现，在结核杆菌的慢性感染过程中，与结核性肉芽肿的形成和宿主的防御关系密切的不是 NLRP3 炎症体中的 NLRP3 和caspase-1 而是 ASC6。2 2caspase-1 的活化及 IL-1 的成熟Caspases 可以启动及执行一系列细胞程序，从而导致炎症反应或细胞凋亡。它们作为无活性的酶原形式存在，通过蛋白水解的激活作用进行有效的细胞活动。Caspases 是通过参加促炎症反应还是抑炎症反应的细胞活动不同而分类的。作为促炎反应蛋白的 caspase-1 是最具特征性的，它的催化活性与信号依赖性炎症体的活化紧密联系在一起，并间接加工处理细胞因子 IL-1 前体4。IL-1 是一种重要的促炎反应介质，它在机体受到损伤或免疫功击时产生，但 IL-1 的活动受到炎症体的严格控制，通过其成熟和分泌促进炎症反应。最近鉴定的 HIN-200 家族的成员 AIM27，可以诱导 caspase-1 依赖的IL-1 的成熟。内源性的 IL-1 受体拮抗物(IL-1RA)也调节 IL-1 的产生。有报道指出NLRP1、NLRP3和 IPAF 有信号转导作用，它们通过同型的 NACTH结构域的相互作用而产生自身的寡聚化，形成高分子量的复合物(可能是六聚体或七聚体)而激活caspase-1。3NLRP3 炎症体的激活模式虽然 NLRP3 炎症体可被多种 PAMP 及内源性的危险信号激活，但其激活机制还不明确。文献中大多支持细胞内钾离子外流、溶酶体膜通透性改变导致其内组织蛋白酶 B 的释放和活性氧(ROS)三种模式。第一种模式，胞外的 ATP 刺激 P2X7 嘌呤受体8，P2X7 受体活化诱导钾离子选择性通道快速开放，随后招募 pannexin-1 介导开放更大的膜通道引起胞内钾离子外流，钾离子水平降低是激活NLRP3 炎症体的主要机制9。第二种模式，作为激活剂的晶体或颗粒结构，像尿酸盐结晶(MSU)、硅肺、石棉、样淀粉蛋白，主动吞噬这些物质会导致吞噬细胞中溶酶体破坏，结果胞质中溶酶体内的蛋白酶大量释放，NLRP3 炎症体被激活10。第三种模式，NLRP3 炎症体的激活依靠 ROS 的产生11，研究发现线粒体来源的 ROS 是调控 NLRP3 炎症体活化的关键信号13。同时发现自噬及其线粒体自噬调控了线粒体的质量，减少受损的线粒体数目，从而抑制了 ROS 诱导的 NLRP3 炎症体活化。自噬缺失的细胞加剧了 NLRP3 炎症体的活化12 14。4NLRP3 炎症体的活性调节许多细菌和病毒等病原体可以激活 NLRP3 炎症体，在真菌中有白色念珠菌和酵母菌，通过 Syk 介导激活NLRP3炎症体15;在细菌中能够激活 NLRP3炎症体并引起免疫反应的有李斯特菌和金黄色葡萄球菌等还有一些病毒像流感病毒、腺病毒同样可以激活 NLRP3 炎症体16。体内一些代谢产物和危险信号也可以激活NLRP3炎症体，包括细胞中的 ATP17 和透明质酸18，它们通过受损细胞释放到胞外。另外 淀粉样蛋白、葡萄糖也可以激活 NLRP3 炎症体。痛风时的 MSU19、二氧化硅11、石棉、紫外线(UVB)20 都可以激活 NLRP3 炎症体。NLRP3 炎症体的激活可与一些病理损伤联系在一起，如硅肺、石棉沉着病、08微生物学免疫学进展2012 年第 40 卷第 1 期Prog in Microbiol ImmunolFeb 2012，Vol40，No1晒伤和接触性的过敏反应。炎症体和 IL-1 前体的活性都受促炎反应信号通路的影响和调节。5NLRP3 炎症体与炎症性疾病IL-1 的局部或全身性的升高与人类遗传性或获得性疾病相关，大量的临床试验证实注射白介素受体阻断药或 IL-1RA，以及新一代的 IL-1 的拮抗物 IL-Trap21，可以治疗这些疾病，包括 cryopyrin 相关周期热综合征(CAPS)，痛风和 II 型糖尿病(T2D)等22。5 1Cryopyrin 相关的周期性综合征研究发现，NLRP3 炎症体的突变可以引起少有的自身炎症性疾病，像 CAPS。CAPS 是明确的常染色体显性遗传病，并常有家族性寒冷性自身炎症综合征(FCAS)，Mucklewell 综合征(MWS)，婴儿慢性神经皮肤关节综合征(CINCA)的连续性临床过程23。来自这些病人的骨髓系细胞都对 IL-1 有高度反应性。为了证实此点，将小鼠基因与 MWS和 FCAS 病人进行相同量的突变，发现 NLRP3 炎症体的机能亢进导致 IL-1 释放升高。CAPS 的病人对白介素受体阻断药及 IL-Trap 和 caspase-1 抑制剂的反应良好。炎症体中 pyrin、PSTPIP1 的突变也同样和 CAPS 相关。5 2痛风痛风是一种具有特征性炎症的自身炎症性疾病，可引起疼痛和关节病。痛风伴随着强烈的代谢紊乱从而导致了血液中的尿酸水平升高并在关节腔沉着形成 MSU 结晶，引起痛风性关节炎。在体外MSU 是 NLRP3 炎症体的有效激活物，MSU 依赖的中性粒细胞募集取决于 ASC 接头蛋白，caspase-1 和IL-1R19。炎症体调节 IL-1 的分泌与成熟也与痛风和假痛风有密切关系。5 3T2D在研究痛风的过程中发现 NLRP3 炎症体是一类代谢性应激的感受器，并在临床试验中成功运用IL-1 受体阻断剂治疗 T2D 中得到进一步证实24。IL-1 水平的升高是 T2D 发展过程中的危险因素并且增加了胰岛素的抵抗。IL-1 间接引起的高血糖加速了胰岛 细胞的破坏，导致胰岛素分泌失调。最近 Zhou 等研究了小鼠在慢性高血糖症的过程中IL-1 的分泌，细胞的高血糖刺激了 NLRP3 炎症体介导的 IL-1 的分泌25。此外，NLRP3 结合蛋白TXNIP，同样和 T2D 有非常重要的联系，它介导 细胞凋亡和抑制周围血中葡萄糖的募集。对于野生小鼠来说 TXNIP 缺乏改善了葡萄糖耐受量和胰岛素敏感性。炎症体的激活机制和 IL-1 升高可能加速了肥胖者到 T2D 的进程26。5 4阿尔茨海默症阿尔茨海默症(Alzheimer s disease，AD)是一种中枢神经系统退行性疾病，临床表现为认知和记忆能力的不断退化。研究发现 淀粉样蛋白在 AD中有重要作用。淀粉样蛋白可激活 NLRP3 炎症体并促进 IL-1 分泌。淀粉样蛋白激活NLRP3炎症体的主要途径是小神经胶质细胞吞噬 淀粉样蛋白进入溶酶体内，溶酶体肿胀并释放组织蛋白酶 B。有研究证实，AD 患者脑中过度表达 IL-1，提示 IL-1可能与 AD 发病有关。IL-1 途径作为小神经胶质细胞促炎症反应和神经毒性因素合成是很重要的。炎症、caspase-1 和 IL-1 是募集外源性 淀粉样蛋白进入大脑的重要因素。NLRP3 炎症体对于 AD 过程中的炎症反应和组织损伤是很重要的27。5 5动脉粥样硬化动脉粥样硬化的炎症性是公认的，但刺激动脉壁的炎症因素还不清楚。无菌动物易患动脉粥样硬化，表明内源性物质启动炎症。胆固醇结晶可以刺激 caspase-1 依赖的 NLRP3 炎症复合体活化，从而进一步促进 IL-1 家族成员的分泌和成熟。小鼠腹腔内注射胆固醇晶体可诱发急性炎症，是因为受损的小鼠缺乏 NLRP3 炎症体、组织蛋白酶 B、组织蛋白酶 L 或 IL-1 分子。此外，给低密度脂蛋白受体(Low-density lipoprotein receptor，LDLR)缺陷小鼠骨髓移植 NLRP3 缺陷、ASC 缺陷或 IL-1/缺陷骨髓并给高胆固醇饮食喂养，小鼠体内早期动脉粥样硬化及炎症依赖的 IL-18 水平明显下降。最低限度修饰 LDL 可引起依赖胆固醇结晶激活的NLRP3炎性体和巨噬细胞活化28。但后来研究发现，作为一种内源性危险信号，其沉积在动脉或体内其他地方的胆固醇结晶是引起动脉粥样硬化的主要因素，而不是后期的炎症反应。这些发现可为动脉粥样硬化的发病机制及治疗提供新靶点。NLRP3 炎症体与类风湿性关节炎密切相关，类风湿性关节炎病人与骨关节炎病人相比，滑膜中 NLRP3 表达上调29。接触性的过敏反应、过敏性鼻炎等都与 NLRP3 炎症体相关30，NLRP3 与人类的炎症性疾病如 Crohn 肠炎和 Blau 综合征也有关系31 32。6结论固有免疫系统激活的分子机制已取得了很大进18微生物学免疫学进展2012 年第 40 卷第 1 期Prog in Microbiol ImmunolFeb 2012，Vol40，No 1步，NLRP1、NLRP3、IPAF 和 AIM2 炎症体调节 IL-1成熟的研究也已经展开。临床试验证实 IL-1 及其受体拮抗物可治疗多种疾病。但是 NALP3 炎症体的激活途径及其与炎症性疾病之间相关性作用的研究尚待深入。研究 NALP3 炎症体的激活、调控机制可能为一些炎症性疾病的治疗提供新的思路和手段。参考文献 1Medzhitov R，Janeway C J Innate immune recognition:mecha-nisms and pathwaysJ Immunol Rev，2000，173:89-97 2Franchi L，Mcdonald C，Kanneganti T D，et al Nucleotide-bind-ing oligomerization domain-like receptors:intracellular pattern 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