NLRP3-（Caspase-1）/IL-1β信號(hào)通路的研究進(jìn)展

潘徐彪 李向玉 王志鑫 王宏賓

[摘要] 炎癥是危險(xiǎn)刺激誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生的一種防御反應(yīng)，核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體3（NLRP3）炎性小體是近年來醫(yī)學(xué)科研領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，活化的NLRP3炎性小體可通過控制多種促炎性細(xì)胞因子的成熟與分泌而調(diào)節(jié)炎性反應(yīng)及相關(guān)免疫細(xì)胞的功能。本文主要綜述了NLRP3炎性小體的結(jié)構(gòu)、激活與調(diào)節(jié)機(jī)制、下游相關(guān)細(xì)胞因子的作用以及與白細(xì)胞介素-1β（IL-1β）相關(guān)的疾病，以期為今后該領(lǐng)域的研究提供參考。

[關(guān)鍵詞] 模式識(shí)別受體;核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體3;半天冬氮酸特異性半胱氨酸蛋白酶-1;白細(xì)胞介素-1β

[中圖分類號(hào)] R392? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? ? ? ? [文章編號(hào)] 1673-7210（2019）01（a）-0041-04

固有免疫系統(tǒng)是機(jī)體識(shí)別自我非我的第一道防線，炎性小體作為該系統(tǒng)的一部分主要依靠免疫細(xì)胞的模式識(shí)別受體（pathogen recognition receptor，PRRs）識(shí)別體內(nèi)的危險(xiǎn)相關(guān)分子模式（danger associated molecular patterns，DAMPs）或病原相關(guān)分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）如病原微生物等，進(jìn)而通過引起炎性反應(yīng)參與抵抗病原體入侵，同時(shí)PRRs對(duì)機(jī)體正常的宿主分子、食物抗原、腸道菌群等保持免疫耐受，避免自身免疫性疾病的發(fā)生[1]。

1 核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體3（NLRP3）炎性小體

生物體內(nèi)的PRRs主要包括核苷酸寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體（nod-like roll receptor，NLRs）、Toll樣受體（toll-like receptor，TLRs）、c型凝集素受體和視黃酸誘導(dǎo)基因1受體。NLRs屬于胞內(nèi)PRRs，主要功能是識(shí)別細(xì)胞內(nèi)的PAMPs和DAMPs，NLRP3是人類22個(gè)NLRs家族中研究最多、最成熟的成員之一，主要表達(dá)于固有免疫細(xì)胞如巨噬細(xì)胞、單核細(xì)胞和適應(yīng)性免疫細(xì)胞，如T細(xì)胞以及非免疫細(xì)胞如上皮細(xì)胞等細(xì)胞的胞漿內(nèi)[2]。在無菌性炎癥損傷中，NLRP3通過與凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC）、半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶-1（cysteine-requiring aspartate protease-1，caspase-1）組成高分子量蛋白復(fù)合體，即NLRP3炎性小體，進(jìn)而誘導(dǎo)白細(xì)胞介素-1β（IL-1β）、IL-18、IL-33等相關(guān)炎癥性子的成熟、釋放而引起炎性反應(yīng)，參與疾病的發(fā)生發(fā)展過程，其中IL-1β是該信號(hào)通路中研究較多細(xì)胞因子之一[3]。

1.1 NLRP3與ASC的作用機(jī)制

NLRP3屬于炎性復(fù)合體的傳感蛋白，其C端的亮氨酸重復(fù)序列能夠感知胞內(nèi)多種內(nèi)源性刺激物如病原微生物及其代謝產(chǎn)物、膽固醇和外源性刺激物如石棉、紫外線以及尿酸、ATP等內(nèi)源性危險(xiǎn)信號(hào)[4]。NLRP3被激活后通過其N端的熱蛋白結(jié)構(gòu)域（pyrin domain，PYD）與ASC的PYD域相連，進(jìn)而誘導(dǎo)ASC的胱天蛋白酶募集結(jié)構(gòu)域（caspase recruitment domain，CARD）招募caspase-1，至此NLRP3炎性復(fù)合體被激活。由此可見，NLRP3的主要功能是起始炎性復(fù)合體的組裝過程，ASC則作為炎性復(fù)合體的一種銜接蛋白，用以連接上游的NLRP3和下游的caspase-1[5]。

1.2 caspase-1的作用機(jī)制

caspases是一種半胱氨酸蛋白酶，主要以酶原的形式存在于細(xì)胞質(zhì)中，依據(jù)所參與的細(xì)胞程序分為致炎性和致凋亡性，能夠起始或執(zhí)行細(xì)胞程序，誘導(dǎo)炎癥發(fā)生和細(xì)胞死亡[6]。caspase-1是NLRP3炎性小體的效應(yīng)蛋白，具有促炎性。活化的caspase-1通過對(duì)pro-IL-1β等炎性因子的前體進(jìn)行加工修飾，促進(jìn)其成熟、分泌，其強(qiáng)大的促炎作用可直接影響宿主對(duì)感染和損傷的固有免疫調(diào)節(jié)過程[7]。

2 NLRP3炎性小體的激活與調(diào)控機(jī)制

2.1 炎性小體的激活機(jī)制

目前，研究認(rèn)為炎性小體信號(hào)通路的激活主要是通過以下兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)的：①啟動(dòng)信號(hào)：NLRP3受危險(xiǎn)信號(hào)刺激后通過核因子KB途徑啟動(dòng)pro-IL-1β和NLRP3等前體蛋白的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)[8];②激活信號(hào)：主要是NLRP3炎性小體的組裝以及活化的caspase-1對(duì)下游炎性因子進(jìn)行加工修飾并最終導(dǎo)致其成熟分泌的過程。研究認(rèn)為NLRP3的活化可能是通過識(shí)別刺激物所產(chǎn)生某一信號(hào)而實(shí)現(xiàn)的，主要包括以下3種[5]：①損傷相關(guān)分子模式（DAMPs）或病原相關(guān)分子模式（PAMPs）通過誘發(fā)細(xì)胞表面P2X7嘌呤受體活化或細(xì)胞內(nèi)ATP釋放引起細(xì)胞內(nèi)K+外流，進(jìn)而泛連接蛋白Pannexin-1半通道形成，最終導(dǎo)致相應(yīng)的配體進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)激活整個(gè)信號(hào)通路[9]。②刺激物通過主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)過程進(jìn)入胞內(nèi)，改變?nèi)苊阁w膜電位干擾其穩(wěn)定性，導(dǎo)致溶酶體蛋白水解酶釋放，其中組織蛋白酶B的釋放在炎性小體激活過程中可能起到了關(guān)鍵性作用。③內(nèi)源性危險(xiǎn)信號(hào)誘導(dǎo)細(xì)胞線粒體活性氧（ROS）大量生產(chǎn)，ROS可促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)硫氧還蛋白互作蛋白（TXNIP）與硫氧蛋白-1分離，并使TXNIP與NLRP3結(jié)合而激活整個(gè)炎性小體[10]。

以上激活途徑僅僅是在個(gè)別研究中所發(fā)現(xiàn)的，均具有其局限性，如針對(duì)第一種激活途徑的研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)其他離子如Ca2+、H+等濃度改變時(shí)亦可影響NLRP3的活化[11]，這說明炎性小體的活化可能與細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的改變或膜電位的異常有關(guān)，同時(shí)Kasimsetty等[12]研究發(fā)現(xiàn)在人單核細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞內(nèi)由K+外流信號(hào)所介導(dǎo)的激活途徑對(duì)是否合并嘌呤受體P2X7活化的依賴性不同。此外Lima等[13]發(fā)現(xiàn)胞內(nèi)溶酶體破壞與組織蛋白酶B釋放所介導(dǎo)的NLRP3活化僅僅是針對(duì)晶體類DAMPs有效，而與ATP及細(xì)菌毒素介導(dǎo)的激活途徑無關(guān)。

2.2 炎性小體的調(diào)控機(jī)制

NLRP3炎性小體被過度激活可產(chǎn)生過量的炎性因子誘導(dǎo)細(xì)胞死亡導(dǎo)致疾病的發(fā)生，故而在實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性免疫應(yīng)答的同時(shí)及時(shí)關(guān)閉固有免疫反應(yīng)，防止炎性小體過度激活顯得尤為重要。在正常情況下機(jī)體T細(xì)胞來源的INF-γ可通過激活誘導(dǎo)型一氧化氮合酶或特異性腫瘤壞死因子所誘導(dǎo)的CD4+效應(yīng)T細(xì)胞抑制NLRP3炎性小體激活[14]。此外個(gè)別病原微生物尚可通過特殊機(jī)制避免被NLRP3識(shí)別從而實(shí)現(xiàn)免疫逃避的目的如：痘病毒通過表達(dá)能與ASC結(jié)合的類似物如M013蛋白和gp013L蛋白而抑制炎性小體的組裝過程，假結(jié)核耶爾森菌外膜蛋白K通過與T3SS的易位子相互作用下調(diào)本身PAMPs，從而逃避NLRP3的識(shí)別作用。此外，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)自噬系統(tǒng)被抑制的小鼠施加特定干預(yù)后可導(dǎo)致NLRP3炎性小體被過度激活[15]。

3 下游炎性因子IL-1β在固有免疫反應(yīng)中的作用

IL-1β是一個(gè)經(jīng)典的促炎性細(xì)胞因子，主要由活化的固有免疫細(xì)胞如巨噬細(xì)胞、單核細(xì)胞產(chǎn)生，在炎癥早期發(fā)揮關(guān)鍵作用。具體作用如下：①調(diào)節(jié)樹突狀細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、Th2細(xì)胞等免疫細(xì)胞的功能，并可趨化其在局部組織中聚集[16];促進(jìn)Th17細(xì)胞分化及其相關(guān)因子的產(chǎn)生[17];促進(jìn)嗜酸性粒細(xì)胞脫顆粒，增強(qiáng)其細(xì)胞毒性作用。②與靶細(xì)胞上的受體結(jié)合后，激活I(lǐng)L-1信號(hào)通路和髓樣分化因子依賴的NF-κB通路，正反饋?zhàn)饔么龠M(jìn)IL-1等促炎性細(xì)胞因子轉(zhuǎn)錄，誘導(dǎo)機(jī)體炎性反應(yīng)，引起機(jī)體發(fā)熱。③增加多種細(xì)胞因子和黏附因子的合成、表達(dá)與釋放，包括IL-18、細(xì)胞間黏附分子、血管細(xì)胞黏附分子、E-選擇素等。④在局部組織的纖維化過程中起重要作用。

4 NLRP3-（caspase-1）/IL-1β通路過度激活可導(dǎo)致疾病的發(fā)生

NLRP3炎性小體過度激活時(shí)可通過生成過量的炎性因子誘發(fā)細(xì)胞凋亡，參與疾病的發(fā)生發(fā)展。目前研究表明NLRP3炎性小體的過度激活在多種炎癥性疾病、代謝性疾病、自身免疫性疾病以及腫瘤性疾病的發(fā)生發(fā)展中起到了關(guān)鍵性作用。

4.1 痛風(fēng)

痛風(fēng)是一種的因嘌呤代謝紊亂和/或尿酸排泄減少導(dǎo)致高尿酸血癥，進(jìn)而出現(xiàn)單鈉尿酸鹽（MSU）局部沉積所致的晶體相關(guān)性關(guān)節(jié)病，MSU局部沉積所導(dǎo)致的炎癥是該病發(fā)生的核心機(jī)制[18-19]。丁煥發(fā)等[20]研究認(rèn)為MSU可能是作為一種內(nèi)源性DAMPs被機(jī)體識(shí)別激活NLRP3炎性小體，進(jìn)而導(dǎo)致下游以IL-1β為主的炎性細(xì)胞因子的成熟與釋放，誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞向滑膜及關(guān)節(jié)液中聚集誘發(fā)局部組織炎性反應(yīng)。這一理論的發(fā)現(xiàn)已被應(yīng)用于臨床治療，如秋水仙堿的作用機(jī)制之一即是通過抑制MSU被巨噬細(xì)胞吞噬而抑制NLRP3炎性小體的活化，進(jìn)而抑制IL-1β的分泌來治療急性痛風(fēng)的發(fā)作[21]。

4.2 阿爾茨海默病

阿爾茨海默病是一種以進(jìn)行性認(rèn)知功能減退為主要表現(xiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，目前其發(fā)病機(jī)制尚不清楚。有學(xué)者認(rèn)為顱內(nèi)大量沉積的低聚β淀粉樣蛋白通過誘導(dǎo)神經(jīng)系統(tǒng)小膠質(zhì)細(xì)胞的毒性作用而抑制神經(jīng)突觸部位的功能可能是疾病發(fā)生發(fā)展的原因之一。該過程的實(shí)現(xiàn)可能是通過顱內(nèi)神經(jīng)小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬胞外低聚β淀粉樣蛋白，導(dǎo)致其溶酶體損傷而釋放組織蛋白酶B，而后其作為危險(xiǎn)信號(hào)激活NLRP3信號(hào)通路，引起腦組織炎性反應(yīng)和神經(jīng)元損傷，使患者出現(xiàn)癡呆及認(rèn)知、執(zhí)行能力下降等癥狀[22-23]。

4.3 糖尿病

糖尿病是一組因胰島素分泌缺陷和/或生物學(xué)作用受損而引起的以血糖增高為特征的糖代謝異常性疾病，發(fā)病原因不明。NLRP3炎性小體的過度活化可能參與了2型糖尿病的發(fā)生發(fā)展過程。Wen等[24]研究發(fā)現(xiàn)NLRP3多基因變異可能增加了人類2型糖尿病的易感性，如rs10754588是其常見的基因變種之一，該基因型在2型糖尿病患者的表達(dá)頻率顯著高于正常人群，且主要與胰島素抵抗相關(guān)。Yang等[25]研究發(fā)現(xiàn)胰島淀粉樣多肽能夠直接活化NLRP3炎性小體，促進(jìn)疾病的發(fā)生發(fā)展，具體機(jī)制可能是活化的NLRP3炎性小體通過IL-1β對(duì)胰島β細(xì)胞的細(xì)胞毒性作用誘導(dǎo)其凋亡和損傷，增加胰島素抵抗，導(dǎo)致糖尿病的發(fā)生。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中敲除小鼠NLRP3基因或給予IL-1β拮抗劑后其對(duì)高糖耐受力和對(duì)胰島素敏感性明顯增高，施加針對(duì)β細(xì)胞有害因素后其受損程度顯著低于對(duì)照組[10]。

4.4 急性冠脈綜合征

急性冠狀動(dòng)脈綜合征（ACS）是因冠狀動(dòng)脈內(nèi)粥樣硬化斑塊在某些病理因素刺激下出現(xiàn)破裂或糜爛繼而導(dǎo)致血栓形成，導(dǎo)致冠脈血管完全或不完全閉塞而出現(xiàn)的一組臨床綜合征。ASC的整個(gè)病理生理過程中均有炎性反應(yīng)的參與，其中IL-1β被認(rèn)為是介導(dǎo)該炎性反應(yīng)的中心介質(zhì)之一。研究發(fā)現(xiàn)病患外周血單核細(xì)胞內(nèi)NLRP3呈高水平表達(dá)，且hs-CRP呈正相關(guān)，而強(qiáng)化瑞舒伐他丁治療可有效降低NLRP3、IL-1β的表達(dá)水平。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中給予敲除NLRP3基因小鼠損害心肌的干預(yù)后其心肌梗死面積較對(duì)照組顯著縮小，具體機(jī)制可能是NLRP3炎性小體被受損心肌細(xì)胞釋放的內(nèi)源性危險(xiǎn)信號(hào)ATP激活，最終通過炎性反應(yīng)誘導(dǎo)心肌細(xì)胞炎性死亡[10]。

5 小結(jié)

NLRP3炎性小體主要是通過促進(jìn)下游炎性細(xì)胞因子的大量釋放，誘導(dǎo)機(jī)體急慢性炎性反應(yīng)而參與疾病的發(fā)生發(fā)展。與NLRP3炎性小體過度激活有關(guān)的疾病間存在許多交叉之處，如：NLRP3的過度激活與痛風(fēng)、肥胖、糖尿病及ACS等疾病的發(fā)生發(fā)展有關(guān)，而恰恰這幾種疾病常常合并出現(xiàn)于同一患者，這也提示我們其可能是通過改變機(jī)體某個(gè)特異靶位點(diǎn)而影響某個(gè)或幾個(gè)器官/系統(tǒng)的生理功能，從而導(dǎo)致疾病的發(fā)生。

此外，NLRP3炎性小體的研究目前主要集中于下游炎性因子所引起的炎性反應(yīng)在各單病種中的作用，其下游相關(guān)細(xì)胞因子可通過調(diào)節(jié)機(jī)體免疫細(xì)胞的功能而參與免疫性疾病或寄生蟲病的發(fā)生發(fā)展如：IL-1β可促進(jìn)Th2細(xì)胞的聚集及Th17細(xì)胞的分化，IL-18可同時(shí)增強(qiáng)Th1和Th2細(xì)胞所參與的免疫應(yīng)答反應(yīng)，IL-33可介導(dǎo)Th2細(xì)胞的應(yīng)答反應(yīng)，研究證實(shí)在多房棘球絳蟲感染人體時(shí)將導(dǎo)致這些免疫細(xì)胞功能異常[26]，從而逃避機(jī)體的免疫殺傷作用。到目前為止，該信號(hào)通路在這些領(lǐng)域的研究尚處于空白狀態(tài)，故而今后對(duì)NLRP3炎性小體的科研工作應(yīng)從多角度、多領(lǐng)域綜合分析其在各疾病進(jìn)展中的作用機(jī)制。

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（收稿日期：2018-07-16? 本文編輯：封? ?華）