線粒體相關的NLRP3炎性體激活

線粒體相關的NLRP3炎性體激活

曾俊莉1吳冠楠2宋勇1

作者單位： 210002 南京軍區南京總院呼吸科，南方醫科大學研究生院1

210002 南京軍區南京總醫院呼吸科，南京大學醫學院2

【關鍵詞】NLRP3炎性體；線粒體；急性肺損傷

炎性體自發現以來，其在炎癥反應中的作用就備受關注。NRLP3炎性體是目前研究最多的炎性體，其激活不僅啟動免疫反應防御微生物感染，而且還參與包括急性肺損傷在內多種疾病的發生和發展。大量研究表明，線粒體代謝、線粒體自噬和凋亡、線粒體DNA釋放等都與NRLP3炎性體的調節相關，可見線粒體在NLRP3炎性體的激活中發揮著重要作用。現就線粒體相關的NLRP3炎性體激活進行綜述。

一、NLRP3炎性體的激活

炎性體是在病原微生物或宿主損傷信號刺激下形成的多蛋白復合物，它激活半胱天冬酶1 (cysteinyl aspartate specific protease 1, caspase-1)，促進白介素1 β (interleukin-1β, IL-1β)和IL-18的成熟，進而誘發炎癥反應[1]。胞漿模式識別受體(pattern recognition receptors, PRRs)感受病原相關分子模式( pathogen associated molecular patterns, PAMPs)和損傷相關分子模式(damage associated molecular patterns, DAMPS)，促進炎性復合物的形成。NOD樣受體(nucleotide binding oligomerization domain-like receptors, NLRs)是近來發現的一類PRRs，其家族中的六個成員(NLRP1, NLRP3, NLRP6, NLRP7, NLRP12, NLRC4)已被證實可組成炎性體。此外，HIN-200家族成員AIM2也可以特異識別和結合雙鏈DNA而形成炎性體。在眾多的炎性體中，NRLP3炎性體的刺激物最廣、研究得也最深入。它既參與人體保護性免疫，又與多種疾病的發生相關[2]。

由于NLRP3在病理生理中的重要作用，使其激活機制成為研究的熱點。現已發現多種結構性質迥異的內外源性刺激物都能夠激活NLRP3炎性體。這些信號可能匯聚在一條通路上而間接地觸發NLRP3炎性體的激活。這條共同通路主要包括：①離子平衡失調，鉀離子外流，鈣離子內流，導致細胞膜上縫隙連接蛋白1小孔開放，刺激物進入細胞內；②溶酶體破裂，組織蛋白酶B釋放到胞漿中，介導NLRP3炎性小體激活；③線粒體ROS，作為NLRP3炎性體激活的共同信號[3]。這一機制的提出也讓學者們更多的關注到線粒體在NLRP3炎性體激活中的作用。

二、線粒體和NLRP3炎性體激活

線粒體在能量生成和細胞凋亡中都扮演著重要角色。此外，線粒體外膜上的關鍵銜接蛋白-線粒體抗病毒信號(mitochondrial anti-viral signaling, MAVS) 還可以直接參與固有免疫系統的信號轉導過程[4]。近年來，關于線粒體和炎性體的研究也越來越多。這些研究發現線粒體代謝、穩態改變、自噬、凋亡等都與NLRP3炎性體的激活相關。與線粒體相關的NLRP3炎性體激活可能有以下幾種機制。

1. 線粒體代謝和NLRP3的激活: 近年來，活性氧(reactive oxygen species, ROS)被認為是NLRP3炎性體激活調控的中心。關于參與炎性體作用的ROS，目前較為認可的是線粒體來源的，即線粒體ROS(mitochondrial reactive oxygen species, mtROS)[6-8]。盡管有研究表明，NADPH氧化也產生ROS，但它是否參與炎性體相關炎癥反應還存在爭議[9-11]。在各種NLRP3激動劑的刺激下，mtROS生成增加，引起NLRP3炎性體形成并促進炎性介質的釋放。通過線粒體復合物Ⅰ抑制劑魚藤酮增加mtROS的產生而促進NLRP3炎性體的激活[7]，以及ROS抑制劑清除ROS導致的炎性體活性抑制，均顯示mtROS在NLRP3炎性體激活中起作用[9, 12]。Zhou等[13]發現在ROS反應中硫氧還蛋白可以直接結合到NLRP3上，進一步闡明了ROS的產生和炎性復合體激活之間的聯系。但一些研究卻發現mtROS誘導藥物不能促進NLRP3炎性體活性增強，提示僅僅mtROS并不足以促發NLRP3激活，這很可能還與胞內微環境復雜變化相關[14]。

盡管mtROS在炎性體激活中發揮重要作用，但是ROS的壽命短，只能作為短距離信使傳遞刺激信號激活NLRP3。因此，NLRP3的理想位置就是鄰近線粒體，才能高效的感受線粒體產生的ROS[15]。共聚焦顯微鏡下觀察THP1細胞時發現，在未接受刺激時，大部分NLRP3定位在內質網，而線粒體內含量極少。當尿酸鈉晶體、鋁、細菌等刺激后，NLRP3重新分布于內質網和線粒體，并與ASC、caspase-1共同形成功能炎性體。MAVS是近來發現的能促進NLRP3向線粒體膜移位的線粒體相關銜接蛋白，它能與NLRP3的氮端殘基2-7起反應，使NLRP3炎性體向線粒體聚集，促進炎性體的形成和激活[16]。這種由MAVs介導的NLRP3線粒體重新定位有利于感受ROS傳遞的信號，繼而形成炎性體并促進炎癥反應。

與MAVs一樣，VDAC也是線粒體外膜的蛋白，而且它還是線粒體及包括內質網在內其他細胞器進行代謝和離子交換的主要通道。VDAC的三種基因亞型是線粒體代謝活性的重要調節子，并且VDAC還特異的與NLRP3的炎癥作用相關[17]。研究發現，VDAC1缺乏的小鼠在受到NLRP3刺激物作用后，mtROS生成顯著下降。VDAC1、VDAC2缺乏的細胞都表現出caspase-1激活和IL-1分泌受損[8]。這些研究表明VDAC通過影響mtROS的生成而調節NRLP3炎性體的激活。

VDAC作為離子交換的通道，實現了鈣離子(calcium ion, Ca2+)的流動，而Ca2+從線粒體相關內質網膜到線粒體的過程促進NLRP3的激活。Murakami等[18]的研究表明NLRP3刺激物可誘導Ca2+流，而抑制Ca2+流或減少內質網Ca2+儲備都不利于NLRP3的激活。Ca2+流主要是通過影響線粒體的代謝而調節NLRP3的激活。但是對于Ca2+流到底是發生在mtROS生成的上游還是下游仍存在爭議。一種觀點認為Ca2+流依賴于NLRP3刺激物誘導的mtROS生成；[19]而另一種觀點則認為，細胞受刺激后形成的Ca2+流誘發線粒體功能失調和ROS產生[18]。其實，這兩種形式可能卻同時存在，即胞內Ca2+水平增加促發線粒體損傷和mtROS產生，而mtROS又可以促進Ca2+流，這樣相互作用進一步促進了NLRP3的激活。此外，在Ca2+流通路上的信號介質磷脂酶C(phospholipase C, PLC )和鈣敏感受體(calcium-sensing receptor, CASR)也參與Ca2+相關的致炎機制[18]。此外，盡管循環AMP ( cyclic AMP, cAMP)在Ca2+相關的NLRP3激活通路中的作用也多次被提出，但目前看法仍不統一[20-21]。

綜上，在NLRP3激活劑作用下，Ca2+通過VDAC通道形成Ca2+流促進mtROS生成，進而啟動NLRP3和IL-1β前體的轉錄，而在MAVs幫助下，NLRP3向線粒體相關內質網移位，并與聚集于線粒體的ASC、caspase-1結合組成NLRP3炎性體，最終釋放炎癥介質促發炎癥反應。

2. 線粒體相關細胞死亡與NLRP3激活

(1)線粒體自噬和NLRP3的激活: 線粒體對胞內壓力變化以及線粒體膜對去極化敏感，這些改變均可引起ROS釋放、ATP生成減少及線粒體通透性轉換孔的開放。線粒體膜通透性改變(mitochondrial membrane permeabilization, MMP)是線粒體損傷的標志，它促使包括細胞色素C，mtDNA等線粒體內容物釋放，釋放入胞漿的mtDNA作為DAMPs，直接結合并活化NLRP3炎性體[22-23]。而線粒體自噬(mitophagy)則可以清除mtROS等NLRP3激活信號，避免MMP的發生,維持細胞穩態[24]。近年來通過誘導和抑制線粒體自噬正反兩面證明了mitophagy在NLRP3炎性體中的作用。Lupfer等[25]用實驗證實了mitophage可限制病毒誘發NLRP3病理性激活IL-1β；而mitophagy抑制劑3-甲基腺嘌(3-MA)，可增加mtROS濃度介導的NLRP3炎性體激活[8]。另外，mitophagy作用在分子生物研究中也得到進一步驗證。敲除哺乳動物關鍵自噬基因Atg16L1抑制自噬后，可檢測到NLRP3炎性體的激活[26]。同樣，敲除其他自噬相關基因，如巨噬細胞的相關自噬基因，也能觀察到NLRP3炎性體的激活[27]。

(2)凋亡和NLPR3的激活: 凋亡是通過激活胞內一系列caspase引起細胞死亡的一種模式。作為細胞死亡的方式，凋亡在NLRP3炎性體激活中的作用卻與自噬截然不同。線粒體能感受胞內壓力，直至線粒體內的Bax、Bak低聚物孔形成，線粒體膜完整性被破壞，激活caspase-9執行凋亡。Shimada等[22]建立關于不同結構物質激活NLRP3的模型，并推測這些刺激物是通過誘導線粒體凋亡釋放氧化損傷的線粒體DNA(mtDNA)進入胞漿與NLRP3結合，進而發生級聯反應，誘導NLRP3炎性體的激活和caspase-1的生成。

抗凋亡蛋白Bcl-2對NLRP3炎性體激活的負調節作用，也是凋亡激活NLRP3炎性體的有力證據。ATP作為NLRP3強刺激物，它對NLRP3炎性體的激活作用也受到Bcl-2的調節。檢測用ATP分別刺激的Bcl-2缺乏和野生型的巨噬細胞，發現前者NLRP3炎性體和IL-1β的分泌明顯較后者多。此外，多種NLRP3激活劑作用于Bcl-2過表達細胞都可引起IL-1β釋放的減少[8, 22]。而且前面述及的VDAC活性也受到Bcl-2 家族成員調節，過表達Bcl-2導致部分VDAC關閉使得ROS的生成減少，導致炎性體激活受阻[17]。

盡管大部分研究都支持凋亡激活NLRP3的觀點，但仍有部分研究提出相悖的觀點[28]。因此，關于凋亡對NLRP3炎性體激活的調控還需要更深入的研究。

三、急性肺損傷和NLRP3炎性體激活

急性肺損傷(acute lung injury，ALI)發病的核心機制是全身炎癥反應綜合征，但我們對其分子機制卻知之甚少，而且目前尚無針對該炎癥網絡的有效治療措施。基于NLRP3炎性體誘導炎癥反應的作用，研究者們從實驗室到臨床水平對NLRP3 炎性體在ALI中的作用進行了研究。通過研究有幾個方面的重要發現：NALP3炎性體能誘導ALI 病程中肺泡上皮通透性的增加[29]；多種因素通過NALP3炎性體誘導ALI 病程中細胞因子的產生[30-31]；臨床水平NLRP3炎性體復合物及其下游的細胞因子與ALI/ARDS發生發展相關聯[32]。這些發現表明了NLRP3炎性體在ALI中的重要作用。那么，通過線粒體調控NLRP3炎性體是否可以成為ALI治療的新方向呢？未來更多的基礎和臨床研究將進行解答。

NLRP3在刺激物作用下聚集組裝并最終形成具有活性的炎性體，參與包括炎癥反應，固有免疫應答，以及多種疾病的發生。盡管有關線粒體在NLRP3炎性體激活中的作用受到諸多關注并且有了一定的認識，但還存在許多亟待解決的問題。未來需開展更多更深入的研究，才能有望找到包括ALI在內的NLRP3炎性體相關疾病的突破口。

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(本文編輯：黃紅稷)

曾俊莉，吳冠楠，宋勇. 線粒體相關的NLRP3炎性體激活[J/CD]. 中華肺部疾病雜志： 電子版， 2015， 8(3)： 360-362.

·綜述·

收稿日期：(2014-10-18)

文獻標識碼：中圖法分類號： R563 A

通訊作者：宋勇，Email: yongsong6310@yahoo.com

基金項目：國家自然科學基金(81170064；81370172)

DOI：10.3877/cma.j.issn.1674-6902.2015.03.025