NLRP3炎症小体研究进展_毛开睿

专家述评

NLRP3炎症小体研究进展

毛开睿1,孙兵1,2

(1.中国科学院上海生命科学院,生物化学和细胞生物学研究所,上海　200031;2.中国科学院上海巴斯德研究所,中国科学院,上海　200025)

摘要:N L RP3炎症小体作为固有免疫的重要组分在机体免疫反应和疾病发生过程中具有重要作用。由于能被多种类型的病原体或危险信号所激活,N L RP3炎症小体在多种疾病过程中都发挥了关键作用,包括最初被确认的家族性周期性自身炎症反应,到2型糖尿病、阿尔海默茨病和动脉粥样硬化症等。因此,作为炎症反应的核心,N LRP3炎症小体可能为各种炎症性疾病的治疗提供新的靶点。

关键词:N L RP3炎症小体;IL-1β;炎症反应;疾病

中图分类号:R392 文献标识码:A 文章编号:1001-2478(2011)01-0001-04

固有免疫作为机体第一道屏障系统,对外来病原体的清除以及引导机体产生有效的适应性免疫应答具有至关重要的作用。固有免疫通过模式识别受体(PRR)来识别病原体的保守结构即病原体相关分子模式(PAM P)。常见的PAM P包括脂多糖(LPS)、肽聚糖(PGN)、鞭毛蛋白以及一些微生物的核酸分子。这些PAM P能够被PRR识别进而激活下游信号通路,引起炎症反应或者抗菌应答[1]。到目前为止,已经发现三类PRR:(1)Toll样受体(T LR):一类主要定位于细胞膜或者内体膜的跨膜分子,其胞外区识别配体分子,胞内区传递信号,激活下游NF-κB等信号通路;(2)RIG-I样受体(RLR):一类胞内的螺旋酶,主要参与病毒的识别并激活Ⅰ型干扰素,抵抗病毒感染;(3)NOD 样受体(N LR):一类细胞内感应分子[2]。有一些NOD样受体在激活后,形成巨大的蛋白复合体即“炎症小体”[3],激活胱天蛋白酶Caspase-1,进而对IL-1β和IL-18等炎症因子的前体形式进行切割,使其成熟并释放到胞外,引起炎症反应。本文主要介绍N LRP3炎症小体的激活及其在各种疾病中的作用。

1　N LR家族和炎症小体

到目前为止,NOD样受体(NLR)家族蛋白在人类中已发现23种分子,在小鼠中至少有34种分子[4]。以下是NLR家族成员的特征性结构。其N 端是效应结构域,主要介导蛋白之间的相互作用。已知主要存在四种N端结构域:CA RD结构域、PYD结构域、BIR结构域和转录激活结构域。N LR家族蛋白的中间部分是NOD结构域,主要在激活过程中介导自身寡聚化。蛋白C端是亮氨酸富集结构域(LRR),介导自身调控和识别PAM P。根据不同的N端结构域,又可以将N LR 家族分为四个亚家族:其中最早被发现的NLR分子CⅡTA对于调节M HCⅡ类分子的表达具有关键作用;第二个亚家族为NOD1和NOD2,能够识别细菌肽聚糖的不同亚单位,并激活下游NF-κB 信号通路[5];另外两个亚家族分别为N LRP和IPAF/NAIP,其中一些分子能够在激活情况下形成炎症小体,激活Caspase-1,促使IL-1β活化成熟。

2002年,M artino n等报道N LRP1能够与Caspase-5相互作用,并通过一种称为ASC的分子与Caspase-1相互作用,形成由这四种分子共同构成的高分子量蛋白复合体,称为炎症小体(inflam-maso me)[3],从而活化Caspase-1,促进IL-1β前体分子的成熟和释放。NLRP1也是第一个被报道能形成炎症小体的N LR分子。随着研究的深入,到目前为止,已经报道通过形成炎症小体发挥功能的分子主要有四个,包括N LRP1、N LRP3、IPAF和AIM-2。NLRP1炎症小体能够被炭疽毒素所激活[6],IPAF能够识别一些胞内菌的鞭毛蛋白以及细菌的Ⅲ型或Ⅳ型分泌系统[7],A IM-2主要识别细菌或病毒的DNA[8],而N LRP3炎症小体能被各种类型的分子、细菌或病毒所激活,因而也是研究的最多的一种炎症小体。

2　N LRP3炎症小体被多种刺激剂所激活

NLRP3炎症小体是目前研究得最多的一种炎症小体。NLRP3炎症小体不仅能被许多细菌、病毒等病原体所激活,同时也能被体内自身产生的“危险信号”激活。能够激活NLRP3炎症小体的病原体包括以下几种。在真菌中,白色念珠菌和酿酒酵母能够通过蛋白酪氨酸激酶Sy k介导的信号通路来激活NLRP3炎症小体[9];细菌方面,金黄色葡萄球菌和李斯特菌能够通过NLRP3炎症小体引起免疫反应;同时还发现腺病毒和流感病毒也能通过不同的方式激活N LRP3炎症小体。腺病毒通过其DNA发挥作用[10],而流感病毒则利用其M2离子通道激活N LRP3炎症小体[11]。除了病原体之外,一些病原体分泌的毒素也能激活NLRP3炎症小体,主要包括nigericin和maito to xin[12],它们能够引起细胞膜通透性的改变,使得细胞内的钾离子外流,进而引起N LRP3的激活。

研究发现,不仅病原体能够激活NLRP3炎症小体,体内一些危险信号和代谢产物也能通过NLRP3炎症小体来引起炎症反应。当宿主细胞受到损伤而发生坏死时,细胞中的A TP和尿酸盐[13]等分子会释放到胞外,而这些分子能够激活NLRP3炎症小体,促进IL-1β的释放,进而引起炎症反应。后来还发现一些代谢产物包括葡萄糖[14]、β淀粉样蛋白[15]以及氧化型低密度脂蛋白[16]也能通过激活N LRP3炎症小体引起机体炎症。除此之外,铝佐剂[17]、硅石和木棉[18]等晶体类分子也能引起NLRP3的激活。因此,N LRP3作为一种模式识别受体能够识别多种外来病原体和内在危险信号。

3　N LRP3炎症小体的激活模型

虽然N LRP3炎症小体能够广泛识别各种类型的病原体或机体自身危险信号,但是对于N LRP3炎症小体的激活机制还了解得不清楚。在N LRP3激活之前,N LRP3能够处于自身抑制状态,其LRR结构域通过与SG T-1和分子伴侣HSP90结合,抑制N LRP3的活性,并使其处于一种易于激活的状态[19]。当N LRP3的配体结合到NLRP3上以后,N LRP3能够通过NAC H T结构域发生自身寡聚化,并通过其PYD结构域招募ASC分子,形成ASC py roptosom e[20],进而激活Caspase-1。

到目前为止,对于N LRP3炎症小体的激活共提出三种模型。第一,半通道模型。当胞外的A TP激活其细胞表面受体P2X7后,能够打开其介导的离子通道,使钾离子外流,并能够通过Pannex in-1在细胞膜形成小孔[21],一些NLRP3的配体通过小孔进入细胞内激活N LRP3炎症小体。但是由于N LRP3的激活剂有不同的结构,NLRP3不太可能直接与多种激活剂直接作用;第二,溶酶体破坏模型。许多晶体类物质如MS U晶体、硅石、石棉、β淀粉样蛋白、铝佐剂以及胆固醇晶体能够激活NLRP3炎症小体,当这些晶体通过内吞的方式进入细胞后,包含晶体的内吞小泡与溶酶体融合,细胞试图降解这些晶体,但是,晶体能够破坏溶酶体,进而使得溶酶体中的一些蛋白酶释放到胞浆中,通过某些直接或间接的方式激活NLRP3炎症小体,同时还有实验证明单纯用小分子破坏溶酶体也能激活NLRP3炎症小体,说明溶酶体的破坏对于N LRP3的激活起重要作用[15,16,22]。利用小分子抑制剂实验,组织蛋白酶Cathepsin-B被证明在N LRP3炎症小体激活过程中起关键作用。然而在Cathepsin-B基因敲除的细胞中,再用晶体刺激时,Caspase-1的活化和IL-1β的释放不受影响,说明小分子抑制剂可能通过其他的一些靶点来抑制N LRP3炎症小体的活化。除了晶体,其他类型的N LRP3炎症小体的激活剂是否能够破坏溶酶体还不清楚;第三,活性氧物质(ROS)模型。目前发现的所有N LRP3激活剂都能够诱导产生ROS,ROS 可以作为共同的信号来激活N LRP3炎症小体,并且ROS的抑制剂或清除剂都能抑制NLRP3炎症小体的激活[18]。至于ROS如何激活NLRP3炎症小体,Zho u等报道ROS能够使得TXNIP与TRX 解离,从而使TXN IP结合到N LRP3,激活N L-RP3炎症小体[14]。最近,Zhou等还发现来源于线粒体的ROS对于NLRP3炎症小体的激活起关键作用[23]。在外来刺激情况下,线粒体呼吸链产生ROS,引起N LRP3炎症反应的激活,在此过程中自噬体能清除损伤的线粒体进而负向调节线粒体ROS的产生[24]。虽然NLRP3炎症小体激活的ROS模型具有更好的适用性,但是还有许多问题没有解决。一些其他能诱导产生ROS的物质如TNF-α却不能激活N LRP3炎症小体,说明ROS 对于NLRP3炎症小体的激活只是必要而非充分条件,或者说,ROS的类型或者定位,也可能对于N LRP3炎症小体的激活发挥作用。此外,超氧歧