NLRP3炎症小体负调控研究进展

陈淑珍

(厦门医学院 病原生物与免疫学教研室， 厦门 361023)

炎症小体是由感受分子、接头蛋白和效应分子组成的多蛋白复合物，是机体抵抗病原体侵害和识别自身危险信号的重要分子结构。其中，感受分子包括多种NOD样受体分子(NOD-like receptors, NLRs)，如NLRP3、NLRC4，以及AIM2、IFI16、RIG-I等；接头蛋白为ASC (apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD)；效应分子主要包括半胱天冬蛋白酶前体Pro-Caspase-1和Pro-Caspase-11。当细胞受到病原相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns, PAMPs)或者危险相关分子模式(damage-associated molecular patterns, DAMPs)刺激时，促进炎症小体组装活化，剪切Pro-Caspase-1，使白细胞介素1β (interleukin 1β, IL-1β)和IL-18等促炎细胞因子成熟释放，诱导细胞焦亡，参与固有免疫防御[1]。

1 NLRP3炎症小体

目前研究已发现10余种炎症小体，包括NLRP1、NLRP2、NLRP3、NLRP6、NLRP7、NLRP12、NLRC4、NLRC5、RIG-I、AIM2及IFI16等。其中，NLRP3炎症小体可被多种病毒、细菌、代谢产物等激活，研究最为深入。目前已知细胞死亡后释放的ATP、核酸等体内危险信号分子能激活NLRP3炎症小体，具有晶体特征的铝佐剂、硅石、木棉以及体内产生的胆固醇晶体、尿酸盐晶体(monosodium urate, MSU)和β-淀粉样蛋白，还有某些病毒(如流感病毒)和胞内菌(如李斯特菌)也能激活NLRP3炎症小体。病原体产生的毒素分子，如尼日利亚菌素(nigericin)和刺尾鱼毒素(maitotoxin, MTX)也能通过NLRP3发挥毒性作用。此外，NLRP3基因突变可导致家族性冷因性自体发炎症候群、家族冷性荨麻疹、穆-韦二氏综合征等多种自身免疫疾病，而II型糖尿病、动脉粥样硬化、痛风等疾病近年也被证实与NLRP3炎症小体密切相关[1-3]。

2 NLRP3炎症小体激活机制

NLRP3 炎症小体活化分泌促炎因子需要双重信号：信号1——启动信号，如通过脂多糖(lipopolysaccharides, LPS)等激活Toll样受体 (Toll-like receptors, TLRs)信号通路，活化核因子κB (nuclear factor κB, NF-κB)和MAPK，诱导NLRP3及 Pro-IL-1β 和 Pro-IL-18表达；信号2——激活信号，ATP等激动剂通过使钾离子外流等作用，促进炎症小体复合物组装，进而剪切Pro-Caspase-1形成活化的Caspase-1，后者将Pro-IL-1β和Pro-IL-18剪切为成熟形式释放至胞外[1-2]。

NLRP3炎症小体能被多种PAMPs或DAMPs激活，其激活机制的研究近年来取得较大进展但仍不明确。以往研究发现NLRP3炎症小体活化主要有以下几种分子机制：1)溶酶体损伤。许多颗粒性物质如MSU、硅石等经内吞方式进入细胞，形成吞噬体后与溶酶体融合，引起溶酶体损伤促使蛋白酶释放到胞浆而激活NLRP3炎症小体。2)钾离子外流。某些病原体可通过破坏细胞膜稳定性诱导钾离子外流激活NLRP3炎症小体。胞外ATP结合细胞表面P2X7受体，导致胞内钾离子浓度降低，还可通过在细胞膜打孔，使胞外激活物经膜小孔入胞激活NLRP3炎症小体。3)活性氧(reactive oxygen species, ROS)。大多数NLRP3激活剂能诱导ROS生成，后者主要来源于线粒体，运用ROS抑制剂或清除剂能阻止激活剂活化NLRP3炎症小体。4)线粒体损伤。NLRP3炎症小体活化时，NLPR3和ASC迁移至线粒体外周，造成线粒体损伤产生大量ROS，释放线粒体DNA及脂类物质进入胞浆，激活NLRP3炎症小体。5)钙离子信号。与钾离子相反，胞浆中钙离子浓度升高能活化NLRP3炎症小体。诱导胞内钙库释放钙离子或提高培养液中钙离子浓度均可诱导NLRP3炎症小体活化。6)内质网应激(endoplasmic reticulum stress, ERS)。ERS通过未折叠蛋白反应依赖或非依赖途径活化NLRP3炎症小体。多种ERS诱导剂通过刺激NF-κB信号通路诱导Pro-IL-1β表达或升高胞内ROS水平、钙离子浓度或促进线粒体损伤等方式活化NLRP3炎症小体。此外，随着研究深入，陆续发现不少新机制，如丝苏氨酸激酶Nek7可以直接结合NLRP3促进炎症小体组装和活化；BRCC3去泛素化酶可将NLRP3去泛素化提高其蛋白水平从而激活NLRP3炎症小体等[1-4]。

3 NLRP3炎症小体负调控机制

NLRP3炎症小体激活需要精确调控，在正常生理情况下，适度激活有利于清除病原体或有害物质，同时机体启动负调控通路，维持免疫反应平衡；若异常地持续活化则可导致慢性炎症或自身免疫疾病等。以下将重点综述NLRP3炎症小体负调控的研究进展。

3.1 miRNA

微小RNA (microRNA, miRNA)在细胞中表达丰富，行使多种生物学功能，近期研究表明参与炎症小体负调控。如miR-223 可通过特异性结合NLRP3 mRNA的 3′-非编码区(untranslated region, UTR)，抑制其转录与翻译。某些病毒利用miRNA在不同物种间的高度保守性，侵染时产生miRNA抑制炎症小体活化以避免诱发宿主机体免疫反应。如EB病毒 (Epstein-Barr virus, EBV)模拟miR-223编码产生miR-BART15，可特异性结合到NLRP3 3′-UTR的相同位点以抑制NLRP3转录[1,3]。随后，陆续发现不少miRNA参与负调控NLRP3炎症小体。miR-146a缺失可增强M1型巨噬细胞活化，在miR-146a缺失的小鼠糖尿病模型中巨噬细胞内IL-1β 和 IL-18表达量均上升[5]。而在佐剂诱导关节炎模型的滑膜细胞中，miR-20a特异性靶向TXNIP(thioredoxin interaction protein)mRNA的3′-UTR，通过抑制TXNIP表达进而抑制NLRP3炎症小体活化[6]。Wang等报道miR-9通过抑制JAK1 (Janus kinase 1)/STAT1 (signal transducer and activator of transcription 1)信号通路抑制NLRP3炎症小体活化并减轻动脉粥样硬化相关炎症[7]。

3.2 泛素化与TRIM家族蛋白

泛素化是指泛素分子在泛素相关酶E1、E2、E3作用下，对目标蛋白赖氨酸位点进行泛素修饰，降解目标蛋白的过程，是蛋白降解的一种途径。目前多项研究表明泛素化可调控NLRP3 炎症小体。Bednash等报道A20通过抑制NF-κB通路负调控NLRP3 转录;随后发现A20还能抑制 IL-1β第133位赖氨酸泛素化，该位点的泛素化被认为是IL-1β成熟分泌所需的，进而抑制NLRP3炎症小体；在类风湿性关节炎模型中，A20缺失，小鼠细胞因子分泌增加，Caspase-1活化增强，病情显著加剧[8]。

TRIM家族蛋白(tripartite-motif protein)由于具有3个保守的结构域而得名，这3个结构域从氨基端到羧基端依次为锌指结构域、B-box结构域和卷曲螺旋结构域。目前发现的TRIM家族蛋白很多被证明具有泛素E3连接酶活性而参与细胞分化、凋亡、抗病毒免疫等过程。新近证据表明其广泛参与调节炎症小体活化。TRIM20 (也称为pyrin或MEFV)是最早发现与NLRP3炎症小体相关的TRIM蛋白，其羧基端无义突变导致家族性地中海热，小鼠TRIM20异常可提高Caspase-1活性和机体对内毒素的易感性。TRIM20中PYD结构域可与ASC中PYD结构域相互结合，阻止ASC招募其他分子而抑制炎症小体形成。TRIM30作为跨膜接头蛋白，既能够通过降解TLR信号通路中TAB2/3 (TAK1-associated binding protein 2/3)负调控NF-κB活化，也能抑制NLRP3对多种配体的应答。TLR激活后可诱导TRIM30表达，当细胞受到ATP、二氧化硅、MSU等刺激时，TRIM30通过抑制ROS产生而负调控NLRP3活化[1]。最近，Song等报道TRIM31可直接与NLRP3结合，通过促进NLRP3 48位赖氨酸泛素化及蛋白酶体降解负反馈调控NLRP3炎症小体活化[9]。

3.3 NO

一氧化氮(nitric oxide, NO)在机体多种生理病理过程中发挥重要作用，如免疫反应、神经信号传导、血液循环等。在免疫应答过程中，NO参与控制感染、生成细胞因子、介导信号转导、调节血管反应等。我们以往研究发现NO作为炎症负性调节分子，能够抑制ASC寡聚体形成、Pro-Caspase-1剪切以及IL-1β和IL-18成熟。诱导型一氧化氮合酶(inducible NO synthases, iNOS)缺失，小鼠体内NLRP3依赖的炎性细胞因子产生显著增加，且LPS诱导的脓毒血症病死率显著提高。机制上，我们发现NO通过维持线粒体稳定负调控NLRP3炎症小体[10]。同时，另有两个研究团队发现IFN-γ 诱导产生的NO通过对NLRP3蛋白进行亚硝基化作用抑制其招募ASC，从而负调控NLRP3炎症小体激活[11]。

3.4 COPs和POPs蛋白

炎症小体组成分子一般含有PYCARD结构域，其他含有PYCARD结构域的蛋白能够通过竞争性结合炎症小体组成蛋白，阻止炎症小体复合物组装。这类炎症小体抑制性蛋白包括COPs (CARD-only proteins)、 POPs (PYD-only proteins)、NLRP10和pyrin等。COPs 蛋白与Caspase-1的CARD结构域高度同源，包括COP1、INCA、Caspase-12及Nod2-S等，可与 Pro-Caspase-1竞争结合ASC阻碍炎症小体组装。其中，Caspase-12研究较透彻，该基因敲除的小鼠能较好地耐受LPS诱导的脓毒血症。POPs包括POP1、POP2、POP3和POP4等。POP1与ASC的PYD结构域同源性高达64%，可干扰ASC与NLRP3结合，抑制炎症小体复合物组装。POP2虽也含有PYD结构域，但其与NLRs的结合力较弱且不与NLRP3结合。新近发现的POP3可抑制AIM-2炎症小体而POP4与POP2高度相似，也不结合NLRP3。同时，POP1、POP2和POP4均能通过抑制NF-κB的活性减少Pro-IL-1β生成。NLRP10只含有PYD和NACHT结构域，可自身寡聚化但不能招募活化Pro-Caspase-1，从而抑制炎症小体。Pyrin即前文所述的TRIM20，可干扰NLRP3与ASC 组装，还可结合其他类型炎症小体，抑制Caspase-1剪切[1,11]。

3.5 自噬

在哺乳细胞内，自噬是一种由溶酶体介导的细胞自我保护过程，通过降解异常蛋白或损伤的细胞器，维持细胞稳态。近年研究表明，自噬可通过吞噬和降解炎症小体组分，如泛素化NLRP3和ASC等来降解和抑制炎症小体，还可通过线粒体自噬清除受损线粒体以减少线粒体ROS或线粒体DNA释放，进而负调控NLRP3炎症小体。在巨噬细胞中，抑制ATG16L1 (autophagy gene 16L1)、LC3B (autophagy protein microtubule-associated protein 1 light chain-3B)或Beclin1 (moesin-like BCL2-interacting protein)表达能够导致线粒体膜电位降低、线粒体ROS产生及线粒体DNA释放，促进NLRP3 炎症小体激活，诱导炎性相关疾病。在流感病毒感染的小鼠模型中，RIPK2 (receptor interacting protein kinase 2)蛋白经由线粒体自噬负调控NLRP3炎症小体[2,4,12]。Zhong等报道LPS 激活巨噬细胞NF-κB通路增强p62转录和表达，促进线粒体自噬而负调控NLRP3炎症小体[13]。

3.6 I型干扰素

I型干扰素(interferon, IFN)分为IFN-α和IFN-β，是病毒感染早期机体产生的抗病毒细胞因子，参与调控NLRP3炎症小体激活。Guarda等报道，I型干扰素通过诱导小鼠巨噬细胞分泌IL-10而促进STAT3转录，从而降低Pro-IL-1β表达；同时通过促进STAT1第701位酪氨酸的磷酸化负调控NLRP3炎症小体。I型干扰素还能活化SOCS1 (suppressor of cytokine signaling 1)诱导Rac1泛素化降解以减少ROS产生，最终抑制NLRP3炎症小体活化。此外，I型干扰素还可通过调控下游基因，如编码25-羟基胆固醇酶Ch25h的转录，使胆固醇转化为25-羟基胆固醇，减少Pro-IL-1β表达而抑制NLRP3炎症小体激活[3,14]。

3.7 其他

除上述研究较深入的机制外，近期发现一些分子也可抑制NLRP3炎症小体激活。IL-18结合蛋白(IL-18 binding protein, IL-18BP)，IL-18的天然拮抗剂，可促进成骨细胞分化并抑制NLRP3的表达[15]。热休克转录因子1 (heat shock transcription factor 1, HSF1)通过激活β-catenin抑制XBP-1依赖的NLRP3炎症小体激活和IL-1β释放，抑制肝脏缺血再灌注导致的炎症损伤[16]。比较基因组学鉴定蛋白-58 (comparative gene identification-58，CGI-58)通过维持PPAR-γ信号通路及线粒体稳态以抑制高脂饮食诱导活化NLRP3炎症小体[17]。在巨噬细胞中，一氧化碳抑制NLRP3炎症小体组成蛋白互作，通过维持线粒体稳态，减少线粒体ROS及线粒体DNA释放而抑制NLRP3炎症小体激活以及IL-1β和IL-18成熟和分泌[2]。神经递质多巴胺(dopamine, DA)可通过细胞膜上多巴胺受体D1 (dopamine D1 receptor, DRD1)激活胞内第二信使环腺苷酸(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)信号通路，cAMP与NLRP3结合并诱导NLRP3发生泛素化降解，抑制NLRP3炎症小体激活[18]。在未激活状态下，芳香烃受体(aryl hydrocarbon receptor, AhR)存在于胞质中，与伴侣分子结合不具有转录活性；在一些外源化合物如多环芳烃作用下，AhR与伴侣分子解离，入核与芳香烃受体核转运蛋白(AhR nuclear translocator, ARNT)形成异源二聚体，结合于NLRP3基因启动子的外源物反应元件，干扰NLRP3正常转录[2]。

此外，G蛋白信号调节蛋白3 (G protein signaling modulator-3, GPSM3)通过与NLRP3分子羧基端LRR结构域结合而抑制NLRP3炎症小体。LRRFIP2 (leucine-rich repeat Fli-I-interacting protein 2)通过直接与NLRP3相互作用或结合Caspase-1底物抑制蛋白Flightless-I抑制Caspase-1剪切IL-1β和IL-18。IκB 激酶 α (IκB kinase subunit α, IKKα)可结合ASC，从而抑制其与NLRP3组装成炎症小体。作为新近发现的一种NLRP3炎症小体负调控蛋白，孤核受体小异源二聚体伴侣(small heterodimer partner, SHP)与NLRP3 结合后转移至线粒体，以阻断NLRP3与ASC结合干扰炎症小体活化。SHP缺失可导致NLRP3炎症小体过度活化而引起多种炎症性疾病，如急性肾坏死和痛风等[2]。

一些小分子化合物也被报道可抑制NLRP3炎症小体，深海鱼油中的Omega-3 (ω-3)多不饱和脂肪酸调控G蛋白偶联受体120 (G protein-coupled receptor 120, GPR120)和GPR40以及下游β-arrestin-2抑制NLRP3炎症小体的激活[19]。植物化合物如汉黄芩苷、大黄素、白藜芦醇等也有研究证明可抑制NLRP3炎症小体活化[20]。

4 小结与展望

近年来炎症小体相关研究获得较大进展，发现多种外源因素或内源性危险信号可诱导炎症小体活化，但对于NLRP3炎症小体活化通路和调控机制，特别是对于机体为避免过度炎症反应如何进行负调控维持细胞稳态的机制了解仍有限。目前报道的NLRP3炎症小体负调控机制主要有miRNA、泛素化、TRIM蛋白、自噬、COPs、POPs、NO、I型干扰素等。另外，有多种食物和天然植物活性成分被证明可负调节NLRP3炎症小体活化，可为干预和抑制过度活化NLRP3炎症小体提供潜在作用分子。研究机体对NLRP3炎症小体的负调控机制，对相关感染性疾病、自身免疫性疾病等预防和治疗至关重要，可为其提供潜在干预靶点和治疗策略。