核苷酸结合寡聚化结构域样受体3炎症复合体在疾病中的作用

解广莹 ,刘　含,张　宁(综述),李艳波(审校)

(哈尔滨医科大学附属第一医院内分泌科，哈尔滨 150001)



核苷酸结合寡聚化结构域样受体3炎症复合体在疾病中的作用

解广莹△,刘含△,张宁△(综述),李艳波※(审校)

(哈尔滨医科大学附属第一医院内分泌科，哈尔滨 150001)

摘要：核苷酸结合寡聚化结构域样受体3 (NLRP3)炎症复合体属于一种常见的模式识别受体，在调节先天免疫和保护性免疫中均发挥重要作用。近年来，大量文献报道，NLRP3炎性复合体及其激活的下游信号级联,例如白细胞介素(IL)1β、IL-18等，可以有效地阻止病毒和微生物的入侵，并帮助修复损伤细胞和组织。然而，近来也有文献报道IL-1β等活动的异常调节可以参与多种疾病的发生、发展。炎症复合体通过激活一系列下游信号转导通路，参与多种炎症疾病的发展。因此，NLRP3 炎症复合体在机体疾病的发生中的起关键作用。

关键词：炎症复合体；固有免疫；白细胞介素1；核苷酸结合寡聚化结构域样受体3

近年来，有越来越多的证据表明，炎症体作为一种新近发现的蛋白复合物，其活化可促进炎性因子的释放，从而在先天固有免疫系统中发挥极其重要的作用[1]。文献报道，炎症复合体也参与疾病的发生和发展[2]。其中，NLRP3炎症复合体的研究较为多见，核苷酸结合寡聚化结构域样受体3 (nucleotide-binding domain leucine-rich-containing family pyrin domain-containing-3,NLRP3)炎症复合体通过激活一系列下游信号转导通路，参与多种炎症疾病的发展，如自发炎症综合征、2型糖尿病、心肌梗死等。现对NLRP3的双重作用进行总结归纳，并期望对多种炎症相关疾病的治疗提供理论依据。

1NLRP3炎症复合体参与的炎症过程

炎症复合体是内源性及外源性危险信号的感受器，当存在病原体及组织损伤相关的炎性信号时被刺激激活，在炎症反应中起信号平台作用。最常见的炎症复合体家族为NOD样受体(NOD-like receptor，NLR)家族。NLR家族包括NLRP1,NLRP2, NLRP3, NLRP6, NLRP12等。近年来，国内外学者均更侧重关于NLR家族的研究，其中又以NLRP3家族所涉及的领域更广[3]。NLRP3炎症复合体是由NLRP3、凋亡相关点样蛋白apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD(ASC)和效应蛋白胱天蛋白酶1(caspase 1)衔接组成的多蛋白复合体[4]。最初起始于NLRP3的激活，并导致ASC的寡聚化和招募，NLRP3蛋白分子的N端存在热蛋白结构域(pyrin domain，PYD)，可以募集其下游的ASC结合到PYD上,随后通过CARD-CARD结构域相互作用促进下游caspase-1前体的招募和激活，从而完成NLRP3复合体的衔接。复合体形成后，进一步激活下游的caspase-1，caspase-1随后自动裂解成活化形式，在细胞质中激活的caspase-1进一步裂解前白细胞介素(interleukin,IL)1β及IL-18为成熟的IL-1β 和IL-18，参与多种炎症过程。另外，激活的caspase-1还可诱导IL-1α和高迁移率族蛋白1的释放，进而引起细胞凋亡[5-6]。

2NLRP3炎症复合体防御病原体感染

炎症复合体是机体固有免疫系统的一部分，它可以防御病原体的侵入，并且是多种细胞应激压力(创伤、代谢紊乱等) 的感受器。炎症复合体可以被多种内源性损伤相关的分子模式(danger-associated molecular patterns,DAMPs)和外源性相关的病原体分子模式激活。其中，与NLRP3复合体形成相关的DAMPs又可分为宿主来源和外源性DAMPs两种，宿主来源的DAMPs包括透明质酸、胆固醇晶体、细胞外的ATP、β-淀粉样蛋白, DNA以及和痛风相关的尿酸盐结晶等,外源性DAMPs包括石棉、二氧化硅、纳米粒子、明矾等。外源性相关的病原体分子模式包括病原体相关的RNA、DNA以及肽聚糖等。值得说明的是，NLRP3炎症复合体的激活还需要细胞内钾离子的外流，这是NLRP3炎症复合体不同于NLRC4等其他信号平台所特有的[7]。应激诱导产生的活性氧类(reactive oxygen species，ROS)也可以直接氧化或者间接通过中间介质激活NLRP3炎症复合体[8]。虽然大多数NLRP3复合体的激活剂能诱导ROS产生，ROS清除物能抑制NLRP3炎症复合体的功能,但进一步的研究发现,一些ROS诱导的细胞过程并不会导致炎症体的激活, 并且敲除了ROS产生的基因后，也并未显示出NLRP3炎症复合体功能的缺少[9]。还有相关实验表明，线粒体来源的ROS才是调控NLRP3复合体的关键因素[10]。也有一些观点认为，溶酶体的破裂所释放的组织蛋白酶,可以激活NLRP3，同时这被认为是一种无效的溶酶体吞噬作用。然而，虽然有相关的化学抑制剂实验证实组织蛋白酶B参与NLRP3炎症复合体的激活，但是组织蛋白酶B相关基因敲除的小鼠，在接受其他NLRP3刺激物的刺激后，仍然显示出了NLRP3炎性复合物的活化[11]。因此，溶酶体蛋白如何释放和激活NLRP3的活化机制尚不明确。

相反的，许多宿主或者病原体的作用机制涉及到抑制炎症复合体的激活，例如，一些病毒可以直接与NLRP3复合体中的caspase-1结合，某些细菌亦可以通过旁路途径干扰caspase-1的功能[12]。此外，机体内还存在IL-1受体拮抗剂，可以竞争性地结合IL-1的受体。Pyrin基因的突变会导致家族性地中海热，在Pyrin基因敲除的小鼠中，IL-1β活化增强。然而，Pyrin抑制炎症复合体的准确机制目前尚不清楚，文献报道可能是与caspase-1竞争性地结合ASC有关[13]。此外，自噬、Ⅰ型干扰素的治疗也被证实可以减弱炎症复合体的功能[14-15]。

3NLRP3炎症复合体与自发炎症反应综合征

与自身免疫性疾病不同，自发炎症综合缺乏高滴度的自身抗体和抗原特异性T细胞[16]。NLRP3复合体与自发炎症综合征的发病机制相关，当患有自发炎症综合征的患者经过抗IL-1β治疗后病情可得到一定的缓解[17]。家族性地中海热、化脓性关节炎和坏疽性脓皮病痤疮综合征均是由于Pyrin 和PSTPIP1编码基因的突变[18]。Pyrin作用于NLRP3炎症复合物,引起家族性地中海热的Pyrin突变，使NLRP3在正常生理状态下不能被抑制，从而导致NLRP3 炎症复合体的不适当活化[19]。此外，PSTPIP1与Pyrin存在相关性,导致坏疽性脓皮病痤疮综合征的突变PSTPIP与Pyrin基因密切相关[20]。因此，不管是家族性地中海热还是坏疽性脓皮病痤疮综合征的发病均存在炎症依赖的病理生理学机制[18]，在应用IL-1拮抗剂后，显示出显著的疗效[21-22]。

4NLRP3炎症复合体与2型糖尿病相关性

2型糖尿病是复杂的遗传因素和环境因素共同作用的结果，其典型特点是胰岛细胞功能障碍及胰岛素抵抗。近年来，由于2型糖尿病的发病与炎症的相关性得到越来越多的证实，自身免疫性受体对于炎症的研究起到至关重要的作用，其中，NLR家族与代谢紊乱性疾病的相关性尤为突出[23]。促炎性因子IL-1β通过依赖NLRP3炎症复合物激活下游的信号通路，从而导致胰岛β细胞的死亡和功能障碍[24]。Larsen等[25]通过临床试验证实，当患者接受IL-1β拮抗剂治疗后，患者血糖情况得到改善。

2型糖尿病另一发病基础是胰岛素作用的靶器官存在胰岛素抵抗，包括肝脏、肌肉、脂肪组织对胰岛素作用的敏感性降低。在胰岛素抵抗的环境下，胰岛素不能有效地抑制肝脏葡萄糖的产生，并失去对外周组织摄取及利用葡萄糖的调控能力。已有越来越多的证据表明，NLRP3炎症复合体参与2型糖尿病的发病，NLRP3炎症复合体通过影响外周组织对胰岛素的敏感性，参与胰岛素抵抗的发生和发展[26]。胰岛素抵抗是糖尿病前期进展为2型糖尿病具有代表意义的因素。最初发现，肥胖引发的危险信号作用于可以参与炎症反应细胞的细胞膜上的NLRP3相关的模式识别受体，通过激活IL-1β 介导的前炎症反应，抑制胰岛素信号诱导胰岛素抵抗，进而抑制胰岛素依赖的葡萄糖的吸收[26]。有实验证实，炎性因子是通过积聚到核因子κB、IKB激酶β以及丝裂原激活的蛋白激酶(mitogenactivated protein kinase,MAPK)8/c-Jun氨基末端激酶1的抑制剂上，通过胰岛素受体1,2的丝氨酸磷酸化作用，直接抑制胰岛素的活动[27]。另外, 敲除Nlrp3、Asc或者caspase-1基因的小鼠可以抵抗高脂饲养诱导的肥胖并且可以阻止胰岛素抵抗的发生。在敲除了Nlrp3、Asc基因小鼠体内，其脂肪组织表现出IL-1β含量的显著减少，同时葡萄糖以及胰岛素的代谢平衡较对照组有所改善[26]。与糖尿病相关的分子比如脂肪酸、神经酰胺、游离胆固醇、胰岛淀粉样多肽均可引起NLRP3复合体的活化[28-29]。其中，较为特殊的是，游离脂肪酸通过超载产生脂毒性，诱导ROS的产生，诱发内质网应激，并导致细胞凋亡。值得一提的是，饱和脂肪酸被认为是激活NLRP3的触发物，而不饱和脂肪酸被证实可以抑制NLRP3炎症复合体的活化[30]。

5NLRP3炎症复合体在心肌梗死中的作用

NLRP3炎症复合体识别非微生物危险信号，并且导致各种疾病环境下的无菌性炎症反应。研究发现，无菌性炎症反应也参与心肌梗死的发生[31]。更重要的是, IL-1β作为一个较早和较显著的心肌梗死炎症反应信号中介，也暗示了NLRP3 炎症复合体在心肌梗死发生过程中的病理生理作用。炎症是介导心肌梗死后心肌损伤和修复的重要过程[32],干扰炎症反应的过程可以改善心肌梗死的预后[33]。在急性心肌梗死的动物模型中，IL-1β中和抗体及IL-1受体拮抗剂的应用显示出显著的收益[34]。另外，炎症反应在心肌缺血/再灌注比在陈旧性心肌梗死中更明显。ASC蛋白分子同样也被证实在人心肌梗死的心肌组织中存在明显的表达[35]。而炎症反应不仅在心肌衰竭的粒细胞或巨噬细胞中有所体现，而且在心肌细胞及心肌成纤维细胞中也有存在。有实验证实，心肌缺血/再灌注引起的心肌损失在炎性细胞浸润之前就已经发生，也进一步证明心肌细胞及心肌成纤维细胞的重要作用[36]。此外，Kawaguchi等[37]的体内实验认为心肌细胞并不是炎症反应激活的根源，而心肌成纤维细胞才是炎症反应激活的根源。这也与以往的“心肌纤维细胞仅仅与心肌纤维化和重构密切相关”的观点有所不同[38-39]。心肌细胞形成了NLRP3炎症复合体的装配，它的激活最终导致caspase-1依赖的心肌细胞死亡(被称为凋亡)，而不是IL-1β 的释放。心肌梗死时由于组织损伤，会促进细胞外ATP的释放，而心肌成纤维细胞则在ATP的刺激下分泌IL-1β。Sandanger等[40]的实验发现, 由于缺血/再灌注所造成的心肌功能障碍和损伤，相比野生或ASC基因剔除小鼠的心脏，NLRP3基因剔除小鼠的心脏会显示出明显的改善。这也说明在心肌缺血/再灌注引起的心肌损害中，炎症复合体中包含的成员NLRP3和ASC的作用是不相同的。这其中所涉及的复杂通路，仍有待进一步研究。

6结语

虽然NLRP3炎症复合体作为固有免疫的一部分，在抵御病原体的侵入过程中起重要作用，但由于其调节异常所致的疾病越来越多引起关注。炎症体形成后导致下游caspase-1的激活, 并进一步促进IL-1β的活化，这些炎性因子被认为能有效抵抗病毒、细菌以及真菌的感染侵袭。但另一方面, 过量IL-1β的激活参与疾病的发生，NLRP3炎症复合体在自发炎症综合征、糖尿病、心肌梗死等疾病的发病过程中均起作用。这也为抗炎症药物在临床上多种疾病的广泛应用提供了理论基础。

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The Effect of the Nucleotide-binding Domain Leucine-rich repeat containing Family Pyrin Domain-containing-3 Inflammasome in DiseasesXIEGuang-ying，LIUHan，ZHANGNing，LIYan-bo. (DepartmentofEndocrinology,theFirstAffiliatedHospitalofHarbinMedicalUniversity,Harbin150001,China)

Abstract:The nucleotide-binding domain leucine-rich repeat containing family pyrin domain-containing-3(NLRP3) inflammasomes belong to the pattern recognition receptors family，which plays an important role in mediating both innate immunity and protective immunity.The NLRP3 inflammasomes and downstream signaling cascades,such as interleukin(IL)1β，IL-18, can both protect organism from virus and pathogen infection and help repair injured cells and tissues. However,recent reports have shown that the abnormal regulation of IL1β is implicated in a variety of seemingly divergent disease.The inflammasome is involved in several kinds of inflammatory disease through activating a series of downstream signal transduction pathways.Therefore,NLRP3 inflammasome plays a crucial role in the onset of diseases.

Key words：Inflammasome; Innate immunity; Interleukin-1; Nucleotide-binding domain leucine-rich repeat containing family pyrin domain-containing-3

收稿日期：2014-11-17修回日期：2015-03-06编辑：相丹峰

基金项目：国家自然科学基金 (81370929)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.18.004

中图分类号：R392.1

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)18-3274-03