自噬-NLRP3炎性体途径的研究进展

黄志娟,周 静,林小珍,喻康莹,c,郑林峰

(南昌大学a.第一附属医院肾脏内科;b.研究生院医学部2020级;c.研究生院医学部2021级,南昌 330006)

炎性小体(或称炎症小体)这一概念于2002年由MARTINON等[1]首次提出,他们将其描述为“一个触发炎症半胱天冬酶激活和前IL-β处理的分子平台”。目前已有多种炎性小体被报道,其中对NLRP3炎性小体的研究最为广泛和深入,它是调控炎性因子IL-1β及IL-18活化成熟的重要信号[2]。NLRP3炎性体在多种炎症性疾病中扮演特殊角色,在机体遭受病原体入侵时它可以保护宿主抵御病毒袭击,利于组织损伤修复,但炎症异常激活将导致全身炎症反应,适时抑制NLRP3炎性体激活有助于治疗炎症性疾病或代谢紊乱。自噬溶酶体是细胞内回收及垃圾中转站,通过其吞噬降解作用对各种细胞应激信号如饥饿等做出调控,这一适应性过程关乎细胞的生长发育及衰老代谢,因而受到广泛关注。自噬溶酶体途径(以下简称自噬)可以防止炎症的过度激活,但自噬与NLRP3炎性体激活之间的关系并非如表面那么简单[3-4]。现就自噬溶酶体途径在NLRP3炎性体激活中的作用作综述如下。

1 NLRP3炎性体概述

NLRP3炎性体是由受体蛋白NLRP3、接头蛋白ASC和效应蛋白caspase-1组成的多蛋白复合物,其中NLRP3受体蛋白是核苷酸结合域和富含亮氨酸重复序列(NLR)家族成员。当炎症小体组装被启动,NLRP3蛋白N端的pyrin结构域(PYD)和ASC的PYD结构域相互作用,ASC通过类似作用招募caspase-1,这样就通过ASC的桥梁作用把受体蛋白和效应蛋白连接起来,从而激活caspase-1,最终诱导炎性细胞因子成熟释放[5-6]。NLRP3炎性体已被证实与炎症性肠病[7]、动脉粥样硬化[8]、心房颤动[9]、糖尿病[10]等疾病进展关系密切。因此,寻求调节NLRP3炎性体激活的途径很有必要,对此可以通过启动过程关键因子NF-κB来控制NLRP3的转录[11],也可以从翻译后修饰环节入手,包括磷酸化、泛素化等渠道,对NLRP3炎性体起到正向或负向的调节作用[12-13]。自噬途径更是与NLRP3炎性体调控密不可分,小分子钯配合物Tris DBA可以介导自噬,阻断NLRP3炎性体激活信号,从而缓解Ig A肾病[14]。不止于此,自噬对NLRP3炎性体的调控被证明对急性肾损伤[15]、肾纤维化[16]、糖尿病肾病[17]、尿酸性肾病[18]等均有不同程度的获益,可见自噬通过抑制NLRP3炎性体活化,能显著延缓各种肾脏疾病发展至终末期肾病的速度。

2 自噬概述

自噬是真核生物体内高度保守的细胞回收机制,是指需要被降解的细胞器/蛋白质成分被特征的双层膜结构包裹形成自噬体,随后与溶酶体融合形成自噬溶酶体,对所包裹内容物进行降解的过程。根据底物运送到溶酶体内的途径,可将自噬分为大自噬、小自噬及分子伴侣介导的自噬(CMA),一般情况下自噬是指大自噬[19]。小自噬是由溶酶体膜内陷直接包裹底物分子实现分解。而分子伴侣介导的自噬指目的蛋白需要分子伴侣(如热休克蛋白)与其耦合,随后一起运输至溶酶体内进行底物降解,这一过程具有高度选择性,这一特别效应体现在其底物必须含有特定的蛋白质序列,才能被分子伴侣识别结合[20]。

自噬在多种人类疾病中发挥重要作用。最近一项研究[21]表明,ANXA6通过抑制PI3K-AKT和ERK信号通路诱导自噬,抑制肿瘤发生。又如神经退行性变,自噬缺陷引起错误折叠蛋白质的蓄积,导致阿尔兹海默症(AD)的发生,同时由于AD诱导自噬缺陷,导致AD的恶性循环[22],自噬基因变异还与炎症性肠病的遗传病因学有关[23]。值得注意的是,一些病原体已经进化出拮抗自噬的逃逸机制,保护自己免受自噬的清除。可能的途径包括阻止自噬体成熟、干扰自噬启动,亦或是利用自噬平台实现自身的复制和增殖[24]。

3 自噬溶酶体途径在NLRP3炎性体激活中的作用

3.1 自噬抑制NLRP3炎性体活化

自噬是NLRP3炎性体激活调控的一条重要途径,大部分情况下,自噬能够减弱NLRP3炎性体激活水平,但它在其中的具体机制目前尚不明朗,其可能的机制有以下几方面。

3.1.1 自噬通过抑制活性氧(ROS)产生负向调控NLRP3炎性体激活

ROS产生是NLRP3炎性体激活过程中的重要上游信号事件,细胞内ROS的重要来源是线粒体,线粒体应激或被抑制会导致ROS生成增加[25]。ZHOU等[26]发现受损线粒体产生的ROS能够被自噬清除,阻断ROS对NLRP3炎性体的激活效应。同样,ATP6V0D2可以特异性促进自噬体与溶酶体融合,增强自噬,限制ROS堆积,起到限制炎性体激活作用[27]。相反,自噬通量受抑将使NLRP3炎性体活化增加,加重慢性炎症反应和代谢紊乱进展。硫氧还蛋白互作蛋白(TXNIP)通过促进线粒体氧化应激干扰自噬通量,诱导NLRP3炎性体组装及激活,加重糖尿病患者糖尿病视网膜病变[28],有效沉默该基因可能是靶向治疗糖尿病视网膜病变的一项手段。红景天苷通过诱导自噬,减轻脂多糖(LPS)介导的内皮细胞损伤,可能也与自噬-ROSNLRP3轴相关[29]。

3.1.2 自噬通过降解已经组装好的炎性体从而限制炎性小体功能

有研究[30]指出,自噬可能通过泛素化机制,对炎性小体进行捕获及降解,这有赖于自噬的物理吞噬作用。Resolvin D2(RvD2)是以一种先天性炎症抑制剂,可以通过自噬途径介导NLRP3炎性体降解,且体外实验表明,Rv D2引起炎性体降解是通过自噬溶酶体途径而非蛋白酶体途径[31]。溶酶体相关膜蛋白2A(LAMP-2A)是CMA标记物,LAMP-2A缺失的小鼠,可促进炎性体激活及促炎细胞因子分泌,加速动脉粥样硬化进程,在排外大自噬的影响效应下,研究组明确CMA底物为NLRP3蛋白而非caspase-1或ASC,加速动脉粥样硬化进展的原因是缺乏CMA,抑制了对NLRP3炎性体的降解[32]。槐属植物槐果碱也可以通过自噬来降解NLRP3炎性体,减轻败血症性肝损伤[33]。棕榈酸(PA)能够增强NLRP3炎性体中的ASC泛素化,有利于P62识别及结合炎性体分子,并送入自噬溶酶体内进行降解[34]。

3.1.3 其他可能机制

自噬还可能通过隔离pro-IL-1β控制炎症,有研究者[35]发现,自噬体能够将pro-IL-1β与caspase-1隔离开,抑制IL-1β的分泌,从而控制炎症。另一种可能机制是自噬通过减轻内质网应激而负性调节NLRP3炎性体,内质网应激在多方面对NLRP3炎性体激活产生正向影响[36],而内质网作为细胞器之一,自噬可以对其进行清除。由此推测,这可能是自噬负调控NLRP3炎性体激活的机制之一,但仍需更多研究加以实证。此外,有些机制可能尚未被发现,也需要进一步探讨。

3.2 自噬与NLRP3炎性体的其他联系

有趣的是,自噬还可能对NLRP3炎性体起到积极正向的作用,促进其激活。基础自噬抑制炎性体功能已然明确,然而DUPONT N等[37]发现,在原代小鼠骨髓源性巨噬细胞中,饥饿诱导自噬增加了IL-1β的释放,并称之为基于自噬的非常规IL-1β分泌。此外,ZHANG等[38]研究结果显示,在IL-1β释放过程中需要自噬体作为载体,也是基于自噬的非常规IL-1β分泌的又一佐证。WANG等[39]发现,玉米赤霉烯酮(ZEA)可以通过自噬诱导NF-κB p65活化,增强大鼠胰岛素瘤细胞内NLRP3炎症体的激活。

NLRP3炎性体也可以介导自噬的产生。利用铜绿假单胞菌(PA)感染巨噬细胞后,可以观察到NLRP3炎性体释放的细胞因子IL-1β能够诱导自噬形成,阻止巨噬细胞对PA的清除[40]。一项短链脂肪酸(SCFA)对肠道屏障功能修复作用的研究中,发现NLRP3炎性体有激活自噬的作用,且自噬也能激活NLRP3炎性体[41]。MATTEUCCI等[42]发现,在克鲁兹锥虫感染的巨噬细胞中,NLRP3炎性体激活能够诱导自噬,帮助清除感染。不过,NLRP3炎性体是否对自噬产生负面效应仍未可知。

3.3 自噬-NLRP3途径与肾脏疾病

自噬对NLRP3炎性体激活的负性调节在一些疾病的治疗中得到应用,如肝脏缺血再灌注损伤[43]、神经炎症疾病[44]、糖尿病心肌病[45]、痛风性关节炎症[46]等。不可否认,自噬溶酶体途径对NLRP3炎性体调节在炎症性疾病及代谢紊乱中发挥了出色作用。炎症与肾脏疾病密切相关,此途径在肾脏疾病中的影响越来越受到关注。肾脏疾病多伴随着肾脏炎症,而肾脏炎症涉及先天免疫系统或适应性免疫系统,免疫系统通过可溶性细胞受体家族,激活促炎症信号传导,其中包含核苷酸结合域富含亮氨酸重复序列(NLRs)[47],在此主要讨论肾脏疾病中的自噬与NLRP3炎性体。

3.3.1 自噬-NLRP3炎性体途径与糖尿病肾病

糖尿病肾病(DN)是糖尿病患者最常见及最严重的并发症,是导致终末期肾病(ESRD)的主要病因,严重影响糖尿病患者生活质量,并增加死亡风险。而微炎症状态在DN进展中起关键作用,持续高血糖刺激、血管紧张素系统激活以及氧化应激等均可导致肾脏炎性细胞浸润,最终引起肾脏不可逆硬化及纤维化[48]。除了基础的控制血糖血压、改善营养等治疗方案,肾脏炎症控制是未来防治DN的一个重要方向。ABD ELKHALIK等[49]发现,氧化锌纳米颗粒能够通过调节自噬相关蛋白,增加链脲佐菌素诱导的糖尿病肾病大鼠的足细胞自噬,下调NLRP3和IL-1β表达水平,减弱炎症反应,其具体机制可能与自噬清除细胞ROS和刺激抗氧化信号通路等有关。GAO等[50]也深入阐释了自噬-ROSNLRP3炎性体轴在DN中的作用过程,他们发现,高糖以时间及剂量依赖性方式诱导ROS-NLRP3炎性体,且在短时间内增强肾小球系膜细胞自噬,负调节ROS-NLRP3炎症小体信号传导,但如果慢性持续暴露于高糖环境使受损线粒体、受损细胞器的累积超过自噬清除能力,将导致NLRP3炎性体持续激活。以上结果为自噬-NLRP3炎性体途径与糖尿病肾病治疗的关系提供了可靠证据。

3.3.2 自噬-NLRP3炎性体途径与原发性肾小球疾病

原发性肾小球疾病(PGN)是导致ESRD的常见病因,其发病机制倾向于与免疫炎症反应有关。XIONG等[51]的一项回顾性研究表明,NLRP3炎性体参与了PGN的发病机制,介导患者足细胞损伤,加重肾脏损害。Ig A肾病(Ig AN)作为最常见的PGN,其特征表现为以Ig A为主的免疫复合物在肾小球系膜区沉积,引发肾脏炎症反应并导致肾损伤,治疗上主要采取对症支持及免疫抑制方案,尚无针对发病机制的治疗[52]。动物实验[53]发现,在小鼠Ig AN模型中,人参皂苷代谢产物化合物K可通过下调NF-κB抑制促炎细胞因子产生,还能诱导自噬增强,减少受损线粒体及ROS产生,从而抑制caspase-1和IL-1β分泌,减轻小鼠肾脏炎症细胞浸润。而白芦黎醇通过预防线粒体损伤及激活p38增强自噬双重效应,减少线粒体ROS(mtROS)产生,抑制NLRP3炎性体激活,减轻Ig A肾病小鼠的肾小球硬化、增殖及炎症[54]。由此得出,自噬-NLRP3炎性体途径在PGN病因治疗中是一个良好的切入点。

3.3.3 自噬-NLRP3炎性体途径与肾纤维化

肾纤维化是各种类型慢性肾脏病(CKD)进展的最终结果,NLRP3炎性体参与肾纤维化过程中的肾脏炎症反应、细胞焦亡(由caspase-1激活切割gasdermin蛋白导致)以及肌成纤维细胞分化过程,进一步恶化肾脏损伤程度,而自噬通过清除ROS、降解炎性小体等功能可能在CKD治疗中发挥积极作用[55]。紫檀芪作为一种新发现的自噬诱导剂,能够通过自噬抑制NLRP3炎性体激活,减轻肾小管间质纤维化,有助于缓解CKD[56]。在单侧输尿管梗阻引起肾纤维化的小鼠模型中,自噬缺陷增加受损线粒体堆积和氧化应激,导致NLRP3炎性体/caspase-1/IL-1β信号通路激活,从而加重远端肾小管上皮细胞肾纤维化[57]。氟非尼酮是一种新型吡啶酮制剂,被发现可以延缓肾纤维化进展,其主要机制之一是通过抑制mt ROS-NLRP3途径发挥抗纤维化作用[16]。以上表明,自噬尤其是自噬-NLRP3炎性体途径在CKD治疗中有着巨大潜力。

4 结语与展望

自噬在NLRP3炎性体活化中的作用比较复杂,且两者之间的关系是双向的,目前主流观点是自噬主要对NLRP3炎性体激活起抑制作用,但具体机制还需进一步研究。鉴于NLRP3炎性小体与多种慢性炎症性疾病及代谢紊乱关系密切,未来有望开发更多靶向药物应用于临床。