NLRP3炎症小体与阿尔茨海默病研究进展

钟　欣　刘明妍　魏敏杰

(中国医科大学药学院药理学教研室，辽宁　沈阳　110001)



NLRP3炎症小体与阿尔茨海默病研究进展

钟欣刘明妍魏敏杰

(中国医科大学药学院药理学教研室，辽宁沈阳110001)

〔关键词〕NLRP3；炎症小体；β-淀粉样蛋白；阿尔茨海默病

阿尔茨海默病(AD)典型病理变化为脑区神经细胞间出现大量老年斑(SP)，神经元胞体中出现神经元纤维缠结(NFTs)，神经元丢失及胶质细胞增生等〔1〕。β-淀粉样蛋白(Aβ)假说已经成为AD发病机制的主流学说。一方面，Aβ可引起Tau蛋白异常磷酸化，进而导致DNA损伤、钙离子(Ca2+)内流、氧化应激等变化，推进AD神经退行性变进程〔2〕。另一方面，病理性Aβ沉积还可通过激活钙通道触发内质网及线粒体应激反应引起细胞凋亡、突触完整性破坏和细胞膜功能丧失，导致记忆能力下降和认知功能障碍〔3〕。

近年来，越来越多的证据揭示了先天免疫在AD的发病机制中发挥了重要作用。小胶质细胞(MG)作为构成神经微环境中主要的免疫细胞，在AD病程中不断被激活并被招募至SP，在吞噬Aβ的同时，还分泌促炎症性细胞因子。AD患者脑内MG的白细胞介素(IL)-1β、IL-18表达水平明显上调〔4,5〕，且特异性阻断IL-1β可减缓AD模型小鼠脑内Tau蛋白的过度磷酸化，改善认知障碍〔6～8〕。另外，MG特异性炎症小体激活是一种新的神经免疫炎性AD病理机制〔9，10〕。其中，NLRP3炎症小体作为固有免疫过程中激活胱天蛋白酶(caspase)-1和IL-1β的重要介质，与AD神经炎症的发生发展过程密切相关。本文对NLRP3炎症小体在AD中的研究进展进行综述，探讨Aβ介导NLRP3炎症小体的激活导致AD病理变化的可能机制。

1NLRP3炎症小体

在固有免疫系统中，组织器官中的巨噬细胞可以通过模式识别受体(PRR)识别和吞噬病原体，促进自我防御和炎症反应发生。PRR可以识别特定的病原相关分子模式(PAMPs)和损伤相关分子模式(DAMPs)。常见的PRR包括Toll 样受体(TLR)、RIG-1样受体(RLRs)和核苷酸结合寡聚化结构域(NOD)样受体(NLRs)。NLRs激活后可以在胞质内形成一种多蛋白复合体，即炎症小体〔11〕。

炎症小体的结构由NLR蛋白、凋亡相关点样蛋白(ASC)和caspase-1的前体(pro-caspase-1)组成。其中，NLR蛋白可以识别配体和危险信号，ASC用于募集和激活效应蛋白，主要是与pro-caspase-1结合，进而产生有活性的caspase-1。

NLRs 是构成炎症小体多种蛋白质中的核心成分。NLRs分子由N端的效应结构域、中段的特征性结构域(NACHT)和C端的亮氨酸富集结构域(LRR)组成。根据不同炎症小体N端效应结构域的不同，NLRs被分成不同的亚组，包括NLRA、NLRB、NLRC、NLRP等〔12〕。

NLRP是N端热蛋白样结构域(PYD)的NLR，它包含14个亚家族，包括NLRP1(NALP1)、NLRP3(也被称为NALP3、cryopyrin、PYPAF1、CIAS1或CLR1.1)和IPAF等。其中NLRP3是目前被研究最多和最明确的NLR蛋白，PAMPs如脂多糖，可以刺激TLRs在细胞表面或核内表达，促进其在细胞内的聚集与炎性因子前体的产生；而DAMPs包括宿主细胞死亡、感染或应激时释放的三磷酸腺苷(ATP)、腺苷、尿酸盐结晶及染色体蛋白等，其与危险信号的相应配体结合后可引起炎性因子的产生和分泌〔13〕。有报道认为线粒体活性氧族(mtROS)和线粒体DNA(mtDNA)也可能是触发NLRP3激活的始动因素〔14〕。

2NLRP3炎症小体的激活

NLRP3炎症小体的激活过程通常需要两种信号。第一种信号是细胞膜表面的PAMPs被TLR识别后，激活核转录因子(NF)-κB通路，促进NLRP3和pro-IL-1β的转录〔15,16〕；第二种信号是外源性的PAMPs或内源性的DAMPs进一步促进NLRP3、ASC与pro-caspase-1依次连结形成NLRP3炎症小体复合体。关于NLRP3炎症小体激活模式的第二种信号，近年来比较公认的有3种，现简述如下：

2.1离子通道模型细胞损伤或坏死时释放出的高浓度ATP可以与嘌呤受体P2X配体门控离子通道7(P2X7)结合，引起P2X7的开放，从而触发钾离子(K+)的快速外流和pannexin1半通道的形成。多数研究者认为是K+的快速外流及代偿性的Ca2+内流引起NLRP3的激活〔17〕。而有研究亦发现pannexin1作为一种缝隙连接蛋白，可以使一些大分子如ATP进入胞质，启动NLRP3炎症小体的激活〔18〕。

2.2溶酶体损伤模型当PAMPs如较大的颗粒、晶体或者活的病原体在被巨噬细胞吞噬以后，会使吞噬体失去稳定性，破坏溶酶体膜，导致溶酶体内组织蛋白酶B(cathepsinB)释放到胞质，进而激活NLRP3炎症小体〔19〕。而用质子泵抑制剂抑制酸性依赖的溶酶体蛋白酶后，结晶物质诱导NLRP3炎症小体的激活则几乎被完全抑制〔20〕，这证实溶酶体损伤在NLRP3炎症小体激活过程中的重要作用。

3活性氧族(ROS)生成

细胞在应激状态下可以引起还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶或过氧化氢酶依赖的高浓度ROS的产生〔21〕，它可以使硫氧还蛋白相互作用蛋白(TXNIP)与硫氧还蛋白抗氧化蛋白(TRX)解离〔22〕，然后与NLRP3的LRR结构域结合，从而解除LRR介导的NLRP3与分子伴侣结合的自身抑制状态，最终激活NLRP3。NLRP3相关的分子伴侣包括泛素蛋白连接酶相关蛋白(SGT)1和热休克蛋白(HSP)90等〔23〕。当用NLRP3炎症小体的激活剂如ATP处理MG后，ROS水平显著提高；而抑制ROS后，caspase-1的激活和IL-1β的成熟也被相应抑制〔24〕，这提示ROS与NLRP3炎症小体激活存在正反馈机制。

除上述ROS外，调控NLRP3炎症小体激活的ROS可能来源于线粒体〔25〕。事实表明，NLRP3炎症小体介导的IL-1β的分泌受胞质和线粒体的ROS水平及线粒体功能的影响〔26〕。有研究者发现mtROS可以刺激NLRP3由内质网重定位至线粒体结合内质网膜(MAM)处，同时ASC也由胞质募集到MAM，并与NLRP3和pro-caspase-1序贯结合为NLRP3炎症小体〔27〕。MAM是线体外膜与内质网膜相连形成的一种结构，它对于脂质转运、脂质和类固醇的合成及线粒体内Ca2+水平的调节都有重要作用，这说明线粒体功能在NLRP3炎症小体的激活过程中扮演重要角色。

此外，自噬可通过调节线粒体功能调控NLRP3炎症小体的激活。线粒体损伤所引起的自噬可以减少NLRP3激活剂所触发的mtROS的释放，从而抑制NLRP3炎症小体的激活〔28〕。这说明自噬及线粒体功能在NLRP3炎症小体激活过程的重要作用。值得一提的是，在宿主细胞的炎症小体激活引发一系列炎症反应的同时，机体本身也通过T细胞调节、宿主细胞的内源性一氧化氮(NO)、微小RNA(MicroRNA)核细胞因子等与炎症反应共同维持内稳态平衡〔29〕。尽管有上述几种模式可能在NLRP3炎症小体激活过程中发挥作用，但所产生的调控作用并不是唯一的，其具体且明确的激活方式仍需进一步探索研究。

4NLRP3炎症小体的生物学效应

4.1促进炎性因子成熟和释放NLRP3炎症小体在识别DAMPs或PAMPs时被激活，pro-caspase-1活化为caspase-1，并特异性切割IL-1β、IL-18等炎性因子前体，使其成熟并释放到胞外，进一步激活淋巴细胞，促进白细胞在损伤部位的浸润，诱导发热及参与全身和局部的感染、损伤和免疫反应〔30〕。

4.2对细胞代谢的影响NLRP3炎症小体的激活还可以影响糖酵解和脂肪生成等代谢过程〔31〕。例如，在2型糖尿病(T2DM)进程中，慢性高血糖会引起TXNIP表达增加，使其与NLRP3结合导致NLRP3炎症小体激活及IL-1的分泌，加剧胰岛功能障碍。同理，痛风患者血液中升高的尿酸钠结晶同样依赖于TXNIP与NLRP3结合激活NLRP3炎症小体，导致IL-1的分泌及局部疼痛和炎症〔32〕。另外，脂肪酸可以在小鼠肝细胞中激活炎症小体进而释放危险信号，激活免疫细胞，这也证明了炎症小体对细胞代谢的作用〔33〕。

4.3触发pyroptosisNLRP3炎症小体被激活形成caspase-1后，除可引起IL-1β、IL-18等前炎性因子的合成和分泌，还介导一种程序性死亡过程(pyroptosis)〔34〕。pyroptosis是一种依赖于caspase-1的炎性细胞死亡过程，其特征性形态为细胞肿胀、膜孔形成、内容物释放和多种炎症因子的生成和分泌等。它是一种不同于凋亡、坏死和自噬的一种新型细胞死亡途径，在多种疾病模型和控制微生物感染方面发挥重要作用〔35〕。

5NLRP3与AD

NLRP3炎症小体引起人们关注最初是在对冷吡啉相关的周期性综合征的研究中。研究者发现其患者多表现为cryopyrin基因缺失〔36〕，而临床试验亦证实注射IL-1受体拮抗剂可治疗这种疾病。随后的研究陆续发现炎症相关的自身免疫性疾病如接触性过敏反应、T2DM、痛风、肿瘤等都与NLRP3炎症小体相关〔37～40〕。

NLRP3炎症小体在AD发病机制中的作用日益显著，为AD研究提供新靶点和新思路。AD中的SP可以招募MG吞噬Aβ、分泌促炎性和趋化因子，进一步影响周围组织、扩大神经毒性效应。有趣的是大脑内源性NLRP3炎性小体激活仅限于斑块相关的MG，即MG特异性NLRP3炎性小体激活是影响AD发病的关键因素〔41〕。

研究者首次于2008年提出，用Aβ孵育小鼠原代MG后，NLRP3炎症小体被激活，且MG对纤维化Aβ的吞噬可导致溶酶体肿胀破裂并释放cathepsinB，促进IL-1β、TNF-α等炎性因子的成熟释放和趋化因子生成；而MG中NLRP3炎症小体启动也依赖于IL-1β、caspase-1的激活〔42,43〕。此后，Heneka等〔41〕又进一步证实NLRP3炎症小体激活可以促进APP/PS1双转基因鼠脑内Aβ沉积和AD病理进程，而NLRP3基因敲除小鼠可显著缓解空间记忆障碍，促进Aβ的消除过程。LLRP3基因缺失还可使MG转向M2表型，在减少一氧化氮合酶(NOS)2表达的同时，还在很大程度上抑制Aβ生成〔41〕。也就是说，在AD过程中，Aβ可激活MG产生NLRP3炎症小体，从而介导MG极化为M1表型，表现为神经元丢失、Aβ清除障碍和记忆丧失的神经炎症作用；而当特异性敲除MG中的NLRP3或caspase-1时，则使MG转化为M2表型，表现为Aβ清除增加、空间记忆和组织重塑的神经保护作用〔44〕。

综上，NLRP3炎症小体在AD相关的神经炎症反应中发挥重要作用。然而，AD过程中NLRP3炎症小体的具体激活机制仍有待进一步研究。认识到NLRP3炎症小体在AD病程中的关键作用，有利于揭示AD发病机制的本质，深入理解IL-1β、IL-18 等炎性细胞因子激活和释放及溶酶体损伤过程在AD中发挥作用的具体机制。

6参考文献

1Govaerts L,Schoenen J,Bouhy D.Pathogenesis of Alzheimer's disease:molecular and cellular mechanisms〔J〕.Rev Med Liege,2007;62(4):209-16.

2Pimplikar SW,Nixon RA,Robakis NK,etal.Amyloid-independent mechanisms in Alzheimer's disease pathogenesis〔J〕.J Neurosci,2010;30(45):14946-54.

3Demuro A,Parker I,Stutzmann GE.Calcium signaling and amyloid toxicity in Alzheimer disease〔J〕.J Biol Chem,2010;285(17):12463-8.

4Holmes C,El-Okl M,Williams AL,etal.Systemic infection,interleukin 1beta,and cognitive decline in Alzheimer's disease〔J〕.J Neurol Neurosurg Psychiatry,2003;74(6):788-9.

5Hanamsagar R,Torres V,Kielian T.Inflammasome activation and IL-1beta/IL-18 processing are influenced by distinct pathways in microglia〔J〕.J Neurochem,2011;119(4):736-48.

6Kitazawa M,Cheng D,Tsukamoto MR,etal.Blocking IL-1 signaling rescues cognition,attenuates tau pathology,and restores neuronal beta-catenin pathway function in an Alzheimer's disease model〔J〕.J Immunol,2011;187(12):6539-49.

7Díaz A,Rojas K,Espinosa B,etal.Aminoguanidine treatment ameliorates inflammatory responses and memory impairment induced by amyloid-beta 25-35 injection in rats〔J〕.Neuropeptides,2014;48(3):153-9.

8Samy AS,Igwe OJ.Regulation of IL-1β-induced cyclooxygenase-2 expression by interactions of Aβ peptide,apolipoprotein E and nitric oxide in human neuroglioma〔J〕.J Mol Neurosci,2012;47(3):533-45.

9Schnaars M,Beckert H,Halle A.Assessing beta-amyloid-induced NLRP3 inflammasome activation in primary microglia〔J〕.Methods Mol Biol,2013;1040:1-8.

10Tan MS,Yu JT,Jiang T,etal.The NLRP3 inflammasome in Alzheimer's disease〔J〕.Mol Neurobiol,2013;48(3):875-82.

11Broz P,Monack DM.Molecular mechanisms of inflammasome activation during microbial infections〔J〕.Immunol Rev,2011;243(1):174-90.

12Ting JP,Lovering RC,Alnemri ES,etal.The NLR gene family:a standard nomenclature〔J〕.Immunity,2008;28(3):285-7.

13Abdul-Sater AA,Said-Sadier N,Ojcius DM,etal.Inflammasomes bridge signaling between pathogen identification and the immune response〔J〕.Drugs Today(Barc),2009;45 Suppl B:105-12.

14Escames G,López LC,García JA,etal.Mitochondrial DNA and inflammatory diseases〔J〕.Hum Genet,2012;131(2):161-73.

15Bauernfeind FG,Horvath G,Stutz A,etal.Cutting edge:NF-kappaB activating pattern recognition and cytokine receptors license NLRP3 inflammasome activation by regulating NLRP3 expression〔J〕.J Immunol,2009;183(2):787-91.

16Qiao Y,Wang P,Qi J,etal.TLR-induced NF-kappaB activation regulates NLRP3 expression in murine macrophages〔J〕.FEBS Lett,2012;586(7):1022-6.

17Deplano S,Cook HT,Russell R,etal.P2X7 receptor-mediated Nlrp3-inflammasome activation is a genetic determinant of macrophage-dependent crescentic glomerulonephritis〔J〕.J Leukoc Biol,2013;93(1):127-34.

18Pelegrin P,Surprenant A.Pannexin-1 mediates large pore formation and interleukin-1beta release by the ATP-gated P2X7 receptor〔J〕.EMBO J,2006;25(21):5071-82.

19Rubartelli A.Redox control of NLRP3 inflammasome activation in health and disease〔J〕.J Leukoc Biol,2012;92(5):951-8.

20Hornung V,Bauernfeind F,Halle A,etal.Silica crystals and aluminum salts activate the NALP3 inflammasome through phagosomal destabilization〔J〕.Nat Immunol,2008;9(8):847-56.

21Gross O,Thomas CJ,Guarda G,etal.The inflammasome:an integrated view〔J〕.Immunol Rev,2011;243(1):136-51.

22Zhou R,Tardivel A,Thorens B,etal.Thioredoxin-interacting protein links oxidative stress to inflammasome activation〔J〕.Nat Immunol,2010;11(2):136-40.

23Mayor A,Martinon F,De Smedt T,etal.A crucial function of SGT1 and HSP90 in inflammasome activity links mammalian and plant innate immune responses〔J〕.Nat Immunol,2007;8(5):497-503.

24Cruz CM,Rinna A,Forman HJ,etal.ATP activates a reactive oxygen species-dependent oxidative stress response and secretion of proinflammatory cytokines in macrophages〔J〕.J Biol Chem,2007;282(5):2871-9.

25Tschopp J,Schroder K.NLRP3 inflammasome activation:the convergence of multiple signalling pathways on ROS production〔J〕?Nat Rev Immunol,2010;10(3):210-5.

26Jabaut J,Ather JL,Taracanova A,etal.Mitochondria-targeted drugs enhance Nlrp3 inflammasome-dependent IL-1β secretion in association with alterations in cellular redox and energy status〔J〕.Free Radic Biol Med,2013;60:233-45.

27Zhou R,Yazdi AS,Menu P,etal.A role for mitochondria in NLRP3 inflammasome activation〔J〕.Nature,2011;469(7329):221-5.

28Nakahira K,Haspel JA,Rathinam VA,etal.Autophagy proteins regulate innate immune responses by inhibiting the release of mitochondrial DNA mediated by the NALP3 inflammasome〔J〕.Nat Immunol,2011;12(3):222-30.

29Chen S,Sun B.Negative regulation of NLRP3 inflammasome signaling〔J〕.Protein Cell,2013;4(4):251-8.

30Schmidt RL,Lenz LL.Distinct licensing of IL-18 and IL-1beta secretion in response to NLRP3 inflammasome activation〔J〕.PLoS One,2012;7(9):e45186.

31Ting JP,Lovering RC,Alnemri ES,etal.The NLR gene family:a standard nomenclature〔J〕.Immunity,2008;28(3):285-7.

32Schroder K,Zhou R,Tschopp J.The NLRP3 inflammasome:a sensor for metabolic danger〔J〕?Science,2010;327(5963):296-300.

33Csak T,Ganz M,Pespisa J,etal.Fatty acid and endotoxin activate inflammasomes in mouse hepatocytes that release danger signals to stimulate immune cells〔J〕.Hepatology,2011;54(1):133-44.

34Wree A,Eguchi A,McGeough MD,etal.NLRP3 inflammasome activation results in hepatocyte pyroptosis,liver inflammation and fibrosis〔J〕.Hepatology,2014;59(3):898-910.

35Kepp O,Galluzzi L,Zitvogel L,etal.Pyroptosis - a cell death modality of its kind〔J〕?Eur J Immunol,2010;40(3):627-30.

36Cuisset L,Jeru I,Dumont B,etal.Mutations in the autoinflammatory cryopyrin-associated periodic syndrome gene:epidemiological study and lessons from eight years of genetic analysis in France〔J〕.Ann Rheum Dis,2011;70(3):495-9.

37Watanabe H,Gaide O,Petrilli V,etal.Activation of the IL-1beta-processing inflammasome is involved in contact hypersensitivity〔J〕.J Invest Dermatol,2007;127(8):1956-63.

38Lamkanfi M,Mueller JL,Vitari AC,etal.Glyburide inhibits the Cryopyrin/Nalp3 inflammasome〔J〕.J Cell Biol,2009;187(1):61-70.

39So A,De Smedt T,Revaz S,etal.A pilot study of IL-1 inhibition by anakinra in acute gout〔J〕.Arthritis Res Ther,2007;9(2):R28.

40Chen GY,Nunez G.Inflammasomes in intestinal inflammation and cancer〔J〕.Gastroenterology,2011;141(6):1986-99.

41Heneka MT,Kummer MP,Stutz A,etal.NLRP3 is activated in Alzheimer's disease and contributes to pathology in APP/PS1 mice〔J〕.Nature,2013;493(7434):674-8.

42Salminen A,Ojala J,Suuronen T,etal.Amyloid-beta oligomers set fire to inflammasomes and induce Alzheimer's pathology〔J〕.J Cell Mol Med,2008;12(6A):2255-62.

43Halle A,Hornung V,Petzold GC,etal.The NALP3 inflammasome is involved in the innate immune response to amyloid-beta〔J〕.Nat Immunol,2008;9(8):857-65.

44Goldmann T,Tay TL,Prinz M.Love and death:microglia,NLRP3 and the Alzheimer's brain〔J〕.Cell Res,2013;23(5):595-6.

〔2015-03-21修回〕

(编辑冯超/王一涵)

基金项目：国家科技部“重大新药创制”科技重大专项子课题(2013ZX09103001-003);辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2012279);辽宁省科学技术计划项目(2013225079)

通讯作者：魏敏杰(1963-)，女，博士，教授，博士生导师，主要从事分子与肿瘤药理学研究。

〔中图分类号〕R741.02

〔文献标识码〕A

〔文章编号〕1005-9202(2016)13-3318-04；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.13.110

第一作者：钟欣(1989-)，女，在读博士，主要从事神经药理学研究。