核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3炎性体的调控机制

张　涛(综述)，熊旭东(审校)

(上海中医药大学附属曙光医院急诊科，上海 200021)



核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3炎性体的调控机制

张涛△(综述)，熊旭东※(审校)

(上海中医药大学附属曙光医院急诊科，上海 200021)

摘要：核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(NLRP3)炎性体是介导人体固有免疫反应的重要蛋白，其可被广泛的外源性和内源性刺激物所激活，并通过胱天蛋白酶1(caspase-1)信号通路调节白细胞介素1β(IL-1β)和IL-18的活化，从而在许多炎症性疾病的发病过程中发挥着重要作用。近年来针对NLRP3炎性体的调控机制做了大量的研究，发现了许多对NLRP3炎性体具有调控作用的物质，这些研究有助于加深对炎症性疾病的认识和治疗。该文对NLRP3炎性体的组成结构、激活和调控机制予以综述。

关键词：核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3；炎性体；调控机制

炎性体于2002年由Martinon等[1]发现，是存在于胞质内的一类多蛋白复合物，是由活化的核苷酸结合寡聚化结构域样受体 (nucleotide-binding oligomerization domain like receptors，NLRs)诱导装配而成的；炎性体装配成功后启动胱天蛋白酶1(caspase-1)信号通路，产生有活性的caspase-1。caspase-1调控白细胞介素(interleukin，IL)-1β和IL-18的活化，从而介导机体的固有免疫反应。炎性体在许多疾病的炎性反应过程中起着重要作用。NLRs是炎性体装配的核心成分，人类的NLRs有22个，而在鼠类中则有34个[2]。NLRs根据N端的不同而分为不同的亚组(NLRA亚组、NLRB亚组、NLRC亚组、NLRP亚组等)[3]。目前研究最多的是NLR蛋白3(NLR protein 3,NLRP3)炎性体，现就NLRP3炎性体激活、调控机制的国内外研究进展予以综述。

1NLRP3炎性体的结构

NLRP3炎性体是由NLRP3、斑点样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC)、caspase-1前体(pro-caspase-1)组成的多蛋白、大分子复合体。其中NLRP3是NLRs家族成员之一，是炎性体组成的核心成分，其C端为富亮氨酸重复序列结构域，主要功能是识别病原相关分子模式或危险相关分子模式；中央为核苷酸结合寡聚化结构域，能调节NLRP3的寡聚化；N端为热蛋白结构域，与ASC衔接；ASC是由195个氨基酸残基组成的连接蛋白，包含2个结构域：热蛋白结构域(pyrin domain，PYD)，位于ASC的N端，与NLRP3 N端的PYD相连接； caspase募集域，位于ASC的C端，招募与连接pro-caspase-1[1]。NLRP3通过识别病原相关分子模式或危险相关分子模式，与配体结合而被激活，诱导NLRP3炎性体组装，并促使其发生寡聚化；寡聚化的pro-caspase-1则发生自身酶解，形成具有生物活性的caspase-1，caspase-1促使IL-1β前体(pro-IL-1β)和pro-IL-18成熟，生成具有生物活性的IL-1β和IL-18，并分泌到细胞外，从而发挥其生物效应；caspase-1还能诱导宿主细胞发生Pyroptosis(一种不同于凋亡的细胞死亡)[4]。

2NLRP3炎性体的激活机制

目前大量的研究聚焦于NLRP3炎性体的激活机制，NLRP3炎性体可以被广泛的外源性和内源性的刺激物所激活。外源性刺激物包括微生物感染(仙台病毒、流感病毒、腺病毒、酿酒酵母菌和白色念珠菌等)和一些细菌(金黄色葡萄球菌、单核细胞增生李斯特菌、福氏志贺菌等)[5-7]。在某些情况下，一些特定的微生物成分也可触发NLRP3炎性体的激活，如细菌RNA、疟原虫色素结晶[8-9]和许多细菌成孔毒素(尼日利亚菌素、刺尾鱼毒素、气单胞菌溶素和李斯特菌溶胞素等)[7]。NLRP3炎性体也可被多种内源性因素所激活，包括由受损细胞释放到胞外的腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)和透明质酸[7，10]、构成阿尔茨海默病大脑中斑块的β淀粉样蛋白纤维、代谢紊乱时升高的血糖[11]以及造成痛风和假性痛风的病原体尿酸钠(monosodium urate，MSU)和焦磷酸钙脱水结晶[12]。另外，一些环境中的损害因素(二氧化硅、石棉和氢氧化铝)也可以促使炎性体激活[13-14]。紫外线暴露[15]或接触化学刺激物诱发的超敏反应[16]也被发现可在皮肤角质细胞中触发一种NLRP3炎性体依赖的反应。然而，目前还不清楚这些各不相同的刺激因素是如何被NLRP3识别并触发炎性体激活的。由于其结构及生化特性的差异，这些激活物不可能直接与NLRP3结合，事实上在以往的研究中也从没有观察到这样的相互作用。因此，人们提出假说，认为不同的激活物质可能引起一个共同的细胞活动，这一细胞活动则成为了NLRP3炎性体的激活信号。当前较公认的有3种假说：认为钾离子(K+)外流是激活NLRP3必要的上游信号。许多研究表明，当用药物阻断细胞K+外流或将细胞置于高K+浓度的细胞培养液中时，几乎所有已知的激活物都无法再激活NLRP3炎性体[8-9，13]；目前已知，细胞外ATP与ATP-阳离子通道P2X7R结合以及细菌毒素在细胞膜上形成膜孔均可导致K+外流[7]；然而，其他炎性体激活物如何诱导K+外流、是否依赖于特定离子通道的激活，抑或是因细胞膜损伤而使细胞膜的离子通透性非选择性增高，这些都尚未明确；认为活性氧类(reactive oxygen species,ROS)的产生是炎性体激活的关键，支持这一假说的研究显示，通过应用活性氧的化学清除剂、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶抑制剂或以干扰微RNA介导剔除p22phox亚基的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶等方法封锁ROS的产生，可以抑制许多激活物，包括ATP、白色念珠菌[9]和各种结晶(MSU、石棉、石英和疟原虫色素结晶[8，13])等对NLRP3炎性体的激活作用；此外，Zhou等[11]发现，硫氧还蛋白在氧化应激下解离，形成硫氧还蛋白相互作用蛋白，而后者可以直接与NLRP3绑定结合，进一步阐明了ROS的产生与炎性体激活之间的联系；是针对晶体和微粒等激活物质，这些物质被细胞吞噬后，导致溶酶体酸化和破裂，释放出组织蛋白酶B，而组织蛋白酶B能被NLRP3识别并触发炎性体的激活；支持这一假说的依据，在于应用组织蛋白酶B抑制剂CA-074Me或破坏细胞吞噬功能的药物能抑制由明矾、二氧化硅、MSU、β淀粉样蛋白纤维和疟原虫色素结晶等诱导的NLRP3炎性体的激活[8，14]。此外，组织蛋白酶B依赖的炎性体激活模式不仅适用于以微粒作为激活物，其他NLRP3激动剂(尼日利亚菌素、K+载体和抗病毒化合物R837)也能诱导组织蛋白酶B的释放，并导致对CA-074Me敏感的caspase-1的激活[17]。然而，反对这一模型的研究显示，组织蛋白酶B缺陷的巨噬细胞对于疟原虫色素结晶、MSU或明矾等刺激，也同样存在炎性体激活以及IL-1β的生成[8]。这一矛盾的结果提出了一个问题，即CA-074Me的作用靶点究竟是什么[18]。因为吞噬泡破裂后还释放出许多其他酶，而CA-074Me可能抑制了其他的一些蛋白酶；CA-074Me可能还作用于某个未知的靶点，而不仅仅是组织蛋白酶B，该靶点可能对NLRP3炎性体的激活起着关键作用。目前报道尚未发现组织蛋白酶B和NLRP3之间有直接的配体-受体的相互结合。

3NLRP3炎性体的调控机制

3.1miRNA-223的负调控作用微RNA(miRNA)-223与骨髓造血细胞的分化和差异表达有关，它在单核细胞、巨噬细胞、树突细胞、粒细胞中具有高表达。近期的两项研究表明，miR-223对NLRP3具有负调控作用[19-20]。miR-223缺陷的小鼠表现出中性粒细胞增多，自发性肺部炎症以及对内毒素敏感性增高等一系列NLRP3失调的现象[21]。

3.2病毒对NLRP3的影响越来越多的证据表明，许多病毒在进化中产生了能够抑制炎性体信号通道的机制，而绝大多数的机制是通过抑制炎性体的组装、caspase-1的激活或中和细胞因子等途径。卡波肉瘤相关疱疹病毒ORF63[22]和麻疹病毒V蛋白[23]可以与NLRP3绑定并阻止其激活；一些痘病毒(兔纤维瘤病毒gp013[24]和黏液瘤病毒M013[25])能表达PYD-only蛋白，从而干扰ASC的招募。此外，人类疱疹病毒的miRBART15能作用于与miR-223相同的靶点而抑制NLRP3的水平；miRBART15可以通过外泌体，从已被感染的B细胞转移到未受感染的细胞；人类疱疹病毒也可以直接感染骨髓细胞，从而影响NLRP3表达，病毒通过抑制炎性体来逃脱机体的免疫反应[19]。

3.3泛素化的负调控作用Juliana等[26]的研究表明，内毒素可以减少NLRP3的泛素化，从而激活NLRP3，这一过程有赖于线粒体ROS的产生；而ATP也能够诱导NLRP3的去泛素化，且无需依赖于ROS。这一结果表明至少有2个去泛素化酶在NLRP3的调控中起作用。

3.4蛋白激酶的作用Qu等[27]的研究表明，NLRC4的磷酸化对NLRC4炎性体的激活是必需的，虽然NLRP3磷酸化并没有类似的作用，但有证据显示蛋白激酶在炎性体激活中起着重要作用。Lu等[28]的研究显示，激活的NLRP3、NLRP1、NLRC4、黑色素瘤缺乏因子2诱导RNA依赖的蛋白激酶D发生磷酸化，而蛋白激酶D的缺乏又能抑制caspase-1的活化；免疫共沉淀实验表明蛋白激酶D直接与NLRP3结合，激活NLRP3，与ASC、caspase-1构成有生物功能的炎性体 。既往研究表明，白色念珠菌感染[9]、疟原虫色素结晶[29]，结核分支杆菌感染[30]和碳纳米管[31]都可以通过酪氨酸激酶Syk的作用，激活NLRP3及炎性体的装配。

3.5热蛋白结构域相互作用NLRP3具有特征性的3个结构域，包括C端富含亮氨酸重复结构域、中央核苷酸结合寡聚化结构域和N端PYD。NLRP3的PYD与ASC的PYD结合，介导caspase-1的活化。2个PYD-only蛋白(POP1和POP2)对人类NLRP3炎性体的激活具有负调控作用，POP1与ASC的PYD有64%的同源性，能与之结合，从而阻断ASC与NLRP3的结合[32]；POP2则与NLRP蛋白的PYD具有更高的同源性，可以阻止NLRP3对ASC的招募[33]。Shenoy等[34]最近的一项研究显示，鸟苷酸结合蛋白5是一种选择性的NLRP3炎性体调节蛋白，其能与NLRP3的PYD结合，促进ASC的寡聚化；但鸟苷酸结合蛋白5仅在由活菌感染、可溶性配体(ATP和尼日利亚菌素等)所导致的NLRP3激活中起作用，而对晶体物质(MSU和明矾等)则不起作用。

3.6钙离子信号细胞内钙离子(Ca2+)的释放与NLRP3依赖的IL-1β分泌有关。Murakami等[35]的研究显示，多个NLRP3的激活物能够诱发Ca2+信号，耗竭内质网中Ca2+储存或阻止细胞外Ca2+内流均能抑制ATP诱导的NLRP3的激活；抑制Ca2+信号转导的关键介质磷脂酶C，可使IL-1β的分泌减少，Ca2+信号的释放能够促进线粒体的损伤，进而激活NLRP3。研究显示，钙敏感受体能通过磷脂酶C信号激活NLRP3炎性体，而当钙敏感受体被细胞外Ca2+激活时，能抑制腺苷酸环化酶，降低环腺苷酸的水平，而环腺苷酸能与NLRP3结合，对NLRP3具有负调控作用[36]。最近的一项研究还发现，脂质体可以通过瞬时受体电位M2通道的Ca2+内流激活NLRP3炎性体，而瞬时受体电位M2通道缺陷则能完全阻断NLRP3炎性体的激活和IL-1β的分泌[37]。

3.7调控炎性体的药理研究目前对炎性体失调的治疗主要是针对炎性体的主要产物IL-1β进行的。抗IL-1β的生物制品(重组IL-1受体拮抗剂阿那白滞素等)已经在临床上取得一定的效果；而P2X7受体拮抗剂和caspase-1抑制剂也处于临床试验阶段；格列本脲属于磺酰脲类药物，通常用于2型糖尿病的治疗，其能够抑制胰腺β细胞的K+通道。Lamkanfi等[38]的研究发现，格列本脲对NLRP3依赖的IL-1β的生成具有抑制作用。Coll和O′Neill[39]发现，细胞因子释放抑制剂CRID3可以与NLRP3作用而阻断IL-1β的生成。核因子κB抑制剂小白菊内酯和BAY 11-7082对NLRP3炎性体也具有抑制作用，小白菊内酯可以通过对caspase-1上Cys残基的烷基化，从而抑制caspase-1；也可以通过抑制NLRP3相关ATP酶的激活而抑制NLRP3，而BAY 11-7082也可能通过相似的途径对NLRP3产生抑制[40]。

4小结

NLRP3炎性体在2型糖尿病、痛风、动脉粥样硬化、阿尔茨海默病、肿瘤、感染等许多疾病的炎性反应过程中具有重要的作用，对NLRP3炎性体调控机制的研究可以有助于这些疾病的治疗。但目前对NLRP3炎性体的分子调控机制的研究仍处于不断探索阶段。ROS激活NLRP3炎性体的机制仍有争议，而miR-223、病毒、蛋白激酶、Ca2+等对NLRP3炎性体调控机制的研究也只是刚刚起步，仍有许多问题有待人们进一步研究阐明。

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The Modulatory Mechanism of Nucleotide-Binding Oligomerization Domain-Like Receptor Protein 3 InflammasomeZHANGTao,XIONGXu-dong.(DepartmentofEmergency,ShanghaiShuguangHospitalAffiliatedtoShanghaiUniversityofTraditionalChineseMedicine，Shanghai200021，China)

Abstract:The nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3 (NLRP3) inflammasome,which can be activated by a wide range of exogenous and endogenous stimuli,is one of the important proteins mediating human innate immune response by cysteine protease-1 (caspase-1) signaling pathway regulating interleukin-1β(IL-1β) and interleukin-18 (IL-18) activation,therefore plays an important role in the process of many inflammatory diseases. In recent years,many studies of modulatory mechanisms of NLRP3 inflammasome have been done and it′s found that a lot of substances play the regulatory role,which help to deepen the understanding of the process of inflammatory diseases and treatment.Here is to make a review of the composition structure,activation and modulatory mechanisms of NLRP3 inflammasome.

Key words:Nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3； Inflammasome； Modulatory mechanism

收稿日期：2014-02-27修回日期： 2014-07-21编辑：郑雪

基金项目：2011年度高等学校博士学科点专项科研基金(20113107110003)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.02.003

中图分类号：R392.12

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)02-0199-03