NLRP3-（Caspase-1）/IL-1β信號通路的研究進展

潘徐彪 李向玉 王志鑫 王宏賓

[摘要] 炎癥是危險刺激誘導機體產生的一種防御反應，核苷酸結合寡聚化結構域樣受體3（NLRP3）炎性小體是近年來醫學科研領域的研究熱點之一，活化的NLRP3炎性小體可通過控制多種促炎性細胞因子的成熟與分泌而調節炎性反應及相關免疫細胞的功能。本文主要綜述了NLRP3炎性小體的結構、激活與調節機制、下游相關細胞因子的作用以及與白細胞介素-1β（IL-1β）相關的疾病，以期為今后該領域的研究提供參考。

[關鍵詞] 模式識別受體;核苷酸結合寡聚化結構域樣受體3;半天冬氮酸特異性半胱氨酸蛋白酶-1;白細胞介素-1β

[中圖分類號] R392? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210（2019）01（a）-0041-04

固有免疫系統是機體識別自我非我的第一道防線，炎性小體作為該系統的一部分主要依靠免疫細胞的模式識別受體（pathogen recognition receptor，PRRs）識別體內的危險相關分子模式（danger associated molecular patterns，DAMPs）或病原相關分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）如病原微生物等，進而通過引起炎性反應參與抵抗病原體入侵，同時PRRs對機體正常的宿主分子、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生[1]。

1 核苷酸結合寡聚化結構域樣受體3（NLRP3）炎性小體

生物體內的PRRs主要包括核苷酸寡聚化結構域樣受體（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基因1受體。NLRs屬于胞內PRRs，主要功能是識別細胞內的PAMPs和DAMPs，NLRP3是人類22個NLRs家族中研究最多、最成熟的成員之一，主要表達于固有免疫細胞如巨噬細胞、單核細胞和適應性免疫細胞，如T細胞以及非免疫細胞如上皮細胞等細胞的胞漿內[2]。在無菌性炎癥損傷中，NLRP3通過與凋亡相關斑點樣蛋白（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合體，即NLRP3炎性小體，進而誘導白細胞介素-1β（IL-1β）、IL-18、IL-33等相關炎癥性子的成熟、釋放而引起炎性反應，參與疾病的發生發展過程，其中IL-1β是該信號通路中研究較多細胞因子之一[3]。

1.1 NLRP3與ASC的作用機制

NLRP3屬于炎性復合體的傳感蛋白，其C端的亮氨酸重復序列能夠感知胞內多種內源性刺激物如病原微生物及其代謝產物、膽固醇和外源性刺激物如石棉、紫外線以及尿酸、ATP等內源性危險信號[4]。NLRP3被激活后通過其N端的熱蛋白結構域（pyrin domain，PYD）與ASC的PYD域相連，進而誘導ASC的胱天蛋白酶募集結構域（caspase recruitment domain，CARD）招募caspase-1，至此NLRP3炎性復合體被激活。由此可見，NLRP3的主要功能是起始炎性復合體的組裝過程，ASC則作為炎性復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的作用機制

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

2 NLRP3炎性小體的激活與調控機制

2.1 炎性小體的激活機制

目前，研究認為炎性小體信號通路的激活主要是通過以下兩個步驟實現的：①啟動信號：NLRP3受危險信號刺激后通過核因子KB途徑啟動pro-IL-1β和NLRP3等前體蛋白的轉錄和表達[8];②激活信號：主要是NLRP3炎性小體的組裝以及活化的caspase-1對下游炎性因子進行加工修飾并最終導致其成熟分泌的過程。研究認為NLRP3的活化可能是通過識別刺激物所產生某一信號而實現的，主要包括以下3種[5]：①損傷相關分子模式（DAMPs）或病原相關分子模式（PAMPs）通過誘發細胞表面P2X7嘌呤受體活化或細胞內ATP釋放引起細胞內K+外流，進而泛連接蛋白Pannexin-1半通道形成，最終導致相應的配體進入細胞內激活整個信號通路[9]。②刺激物通過主動轉運過程進入胞內，改變溶酶體膜電位干擾其穩定性，導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鍵性作用。③內源性危險信號誘導細胞線粒體活性氧（ROS）大量生產，ROS可促進細胞內硫氧還蛋白互作蛋白（TXNIP）與硫氧蛋白-1分離，并使TXNIP與NLRP3結合而激活整個炎性小體[10]。

以上激活途徑僅僅是在個別研究中所發現的，均具有其局限性，如針對第一種激活途徑的研究發現細胞內其他離子如Ca2+、H+等濃度改變時亦可影響NLRP3的活化[11]，這說明炎性小體的活化可能與細胞內環境的改變或膜電位的異常有關，同時Kasimsetty等[12]研究發現在人單核細胞和樹突狀細胞內由K+外流信號所介導的激活途徑對是否合并嘌呤受體P2X7活化的依賴性不同。此外Lima等[13]發現胞內溶酶體破壞與組織蛋白酶B釋放所介導的NLRP3活化僅僅是針對晶體類DAMPs有效，而與ATP及細菌毒素介導的激活途徑無關。

2.2 炎性小體的調控機制

NLRP3炎性小體被過度激活可產生過量的炎性因子誘導細胞死亡導致疾病的發生，故而在實現適應性免疫應答的同時及時關閉固有免疫反應，防止炎性小體過度激活顯得尤為重要。在正常情況下機體T細胞來源的INF-γ可通過激活誘導型一氧化氮合酶或特異性腫瘤壞死因子所誘導的CD4+效應T細胞抑制NLRP3炎性小體激活[14]。此外個別病原微生物尚可通過特殊機制避免被NLRP3識別從而實現免疫逃避的目的如：痘病毒通過表達能與ASC結合的類似物如M013蛋白和gp013L蛋白而抑制炎性小體的組裝過程，假結核耶爾森菌外膜蛋白K通過與T3SS的易位子相互作用下調本身PAMPs，從而逃避NLRP3的識別作用。此外，動物實驗表明，對自噬系統被抑制的小鼠施加特定干預后可導致NLRP3炎性小體被過度激活[15]。

3 下游炎性因子IL-1β在固有免疫反應中的作用

IL-1β是一個經典的促炎性細胞因子，主要由活化的固有免疫細胞如巨噬細胞、單核細胞產生，在炎癥早期發揮關鍵作用。具體作用如下：①調節樹突狀細胞、巨噬細胞、Th2細胞等免疫細胞的功能，并可趨化其在局部組織中聚集[16];促進Th17細胞分化及其相關因子的產生[17];促進嗜酸性粒細胞脫顆粒，增強其細胞毒性作用。②與靶細胞上的受體結合后，激活IL-1信號通路和髓樣分化因子依賴的NF-κB通路，正反饋作用促進IL-1等促炎性細胞因子轉錄，誘導機體炎性反應，引起機體發熱。③增加多種細胞因子和黏附因子的合成、表達與釋放，包括IL-18、細胞間黏附分子、血管細胞黏附分子、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通路過度激活可導致疾病的發生

NLRP3炎性小體過度激活時可通過生成過量的炎性因子誘發細胞凋亡，參與疾病的發生發展。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生發展中起到了關鍵性作用。

4.1 痛風

痛風是一種的因嘌呤代謝紊亂和/或尿酸排泄減少導致高尿酸血癥，進而出現單鈉尿酸鹽（MSU）局部沉積所致的晶體相關性關節病，MSU局部沉積所導致的炎癥是該病發生的核心機制[18-19]。丁煥發等[20]研究認為MSU可能是作為一種內源性DAMPs被機體識別激活NLRP3炎性小體，進而導致下游以IL-1β為主的炎性細胞因子的成熟與釋放，誘導中性粒細胞向滑膜及關節液中聚集誘發局部組織炎性反應。這一理論的發現已被應用于臨床治療，如秋水仙堿的作用機制之一即是通過抑制MSU被巨噬細胞吞噬而抑制NLRP3炎性小體的活化，進而抑制IL-1β的分泌來治療急性痛風的發作[21]。

4.2 阿爾茨海默病

阿爾茨海默病是一種以進行性認知功能減退為主要表現的神經系統退行性疾病，目前其發病機制尚不清楚。有學者認為顱內大量沉積的低聚β淀粉樣蛋白通過誘導神經系統小膠質細胞的毒性作用而抑制神經突觸部位的功能可能是疾病發生發展的原因之一。該過程的實現可能是通過顱內神經小膠質細胞吞噬胞外低聚β淀粉樣蛋白，導致其溶酶體損傷而釋放組織蛋白酶B，而后其作為危險信號激活NLRP3信號通路，引起腦組織炎性反應和神經元損傷，使患者出現癡呆及認知、執行能力下降等癥狀[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型糖尿病的發生發展過程。Wen等[24]研究發現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頻率顯著高于正常人群，且主要與胰島素抵抗相關。Yang等[25]研究發現胰島淀粉樣多肽能夠直接活化NLRP3炎性小體，促進疾病的發生發展，具體機制可能是活化的NLRP3炎性小體通過IL-1β對胰島β細胞的細胞毒性作用誘導其凋亡和損傷，增加胰島素抵抗，導致糖尿病的發生。在動物實驗中敲除小鼠NLRP3基因或給予IL-1β拮抗劑后其對高糖耐受力和對胰島素敏感性明顯增高，施加針對β細胞有害因素后其受損程度顯著低于對照組[10]。

4.4 急性冠脈綜合征

急性冠狀動脈綜合征（ACS）是因冠狀動脈內粥樣硬化斑塊在某些病理因素刺激下出現破裂或糜爛繼而導致血栓形成，導致冠脈血管完全或不完全閉塞而出現的一組臨床綜合征。ASC的整個病理生理過程中均有炎性反應的參與，其中IL-1β被認為是介導該炎性反應的中心介質之一。研究發現病患外周血單核細胞內NLRP3呈高水平表達，且hs-CRP呈正相關，而強化瑞舒伐他丁治療可有效降低NLRP3、IL-1β的表達水平。在動物實驗中給予敲除NLRP3基因小鼠損害心肌的干預后其心肌梗死面積較對照組顯著縮小，具體機制可能是NLRP3炎性小體被受損心肌細胞釋放的內源性危險信號ATP激活，最終通過炎性反應誘導心肌細胞炎性死亡[10]。

5 小結

NLRP3炎性小體主要是通過促進下游炎性細胞因子的大量釋放，誘導機體急慢性炎性反應而參與疾病的發生發展。與NLRP3炎性小體過度激活有關的疾病間存在許多交叉之處，如：NLRP3的過度激活與痛風、肥胖、糖尿病及ACS等疾病的發生發展有關，而恰恰這幾種疾病常常合并出現于同一患者，這也提示我們其可能是通過改變機體某個特異靶位點而影響某個或幾個器官/系統的生理功能，從而導致疾病的發生。

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在各單病種中的作用，其下游相關細胞因子可通過調節機體免疫細胞的功能而參與免疫性疾病或寄生蟲病的發生發展如：IL-1β可促進Th2細胞的聚集及Th17細胞的分化，IL-18可同時增強Th1和Th2細胞所參與的免疫應答反應，IL-33可介導Th2細胞的應答反應，研究證實在多房棘球絳蟲感染人體時將導致這些免疫細胞功能異常[26]，從而逃避機體的免疫殺傷作用。到目前為止，該信號通路在這些領域的研究尚處于空白狀態，故而今后對NLRP3炎性小體的科研工作應從多角度、多領域綜合分析其在各疾病進展中的作用機制。

[參考文獻]

[1]? LaRock CN，Nizet V. Inflammasome/IL-1 beta Responses to Streptococcal Pathogens [J]. Front Immunol，2015，6：518.

[2]? Kim JK，Jin HS，Suh HW，et al. Negative regulators and their mechanisms in NLRP3 inflammasome activation and signaling [J]. Immunol Cell Biol，2017，95（7）：584-592.

[3]? 劉琦，周星，周聯，等.NLRP3炎癥小體在慢性疾病中的研究進展[J].轉化醫學電子雜志，2017，4（3）：66-72.

[4]? Wang Y，Kong H，Zeng X，et al. Activation of NLRP3 inflammasome enhances the proliferation and migration of A549 lung cancer cells [J]. Oncol Rep，2016，35（4）：2053-2064.

[5]? 孫藝蕾，鐘鏑，李國忠.NLRP3炎癥小體在缺血性腦卒中中的作用及研究進展[J].國際免疫學雜志，2018，41（1）：60-63.

[6]? Chen ZH，Jin SH，Wang MY，et al. Enhanced NLRP3，Caspase-1，and IL-1 beta levels in degenerate human intervertebral disc and their association with the grades of disc degeneration [J]. Anat Rec（Hoboken），2015，298（4）：720-726.

[7]? Gaidt MM，Hornung V. Alternative inflammasome activation enables IL-1βrelease from living cells [J]. Curr Opin Immunol，2017，44：7-13.

[8]? Patel MN，Carroll RG，Galvan Pena S，et al. Inflammasome priming in sterile inflammatory disease [J]. Trends Mol Med，2017，23（2）：165-180.

[9]? Gombault A，Baron L，Couillin I. ATP release and purinergic signaling in NLRP3 inflammasome activation [J]. Front Immunol，2012，3：414.

[10]? 趙洋.ACS患者外周血單核細胞NLRP3及髓過氧化物酶的變化及大劑量他汀的作用[D].大連：大連醫科大學，2014.

[11]? Rathinam VA，Vanaja SK，Fitzgerald KA. Regulation of inflammasome signaling [J]. Nat Immunol，2012，13（4）：333-342.

[12]? Kasimsetty SG，De Wolf SE，Shigeoka AA，et al. Regulation of TLR2 and NLRP3 in Primary murine renal tubular epithelial cells [J]. Nephron Clin Pract，2014，127（1/4）：119-123.

[13]? Lima H，Jacobson LS，Goldberg MF，et al. Role of lysosome rupture in controlling Nlrp3 signaling and necrotic cell death [J]. Cell Cycle，2013，12（12）：1868-1878.

[14]? Latz E，Xiao TS，Stutz A. Activation and regulation of the inflammasomes [J]. Nat rev Immunol，2013，13（6）：397-411.

[15]? 劉一鵬，歐宗興.NLRP3炎性小體與呼吸系統的關系[J].海南醫學，2018，29（2）：224-226.

[16]? Mridha AR，Wree A，Robertson AA，et al. MLRP3 inflammasome blockade reduces liver inflammation and fibrosis in experimental NASH in mice [J]. J Hepatol，2017， 66（5）：1037-1046.

[17]? Ather JL，Cklee K，Martin R，et al. Serum amuloid A activates the NLRP3 inflammasome and promotes TH17 allergic asthma in mice [J]. J Immunol，2011，187（1）：64-73.

[18]? 張燕子，隋曉露，許云鵬，等.NLRP3炎性小體信號通路對痛風性腎病的影響[J].中華腎臟病雜志，2018，34（5）：387-388.

[19]? 廖光惠.痛風的發病機制與治療研究進展[J].中外醫學研究，2017，15（8）：161-163.

[20]? 丁煥發，王尚云，緒曉辰，等.外周血單核細胞NLRP3炎性體mRNA表達在急性痛風性關節炎陣痛治療不同時間動態變化研究[J].中國醫藥指南，2016，14（18）：1-3.

[21]? Scrivo R，Vasile M，Bartosiewicz I，et al. Inflammation as "common soil" of the multifactorial diseases [J]. Autoimmun Rev，2011，10（7）：369-374.

[22]? 孫勇，張相彤，梁洪生.NLRP3炎性體在腦出血的研究進展[J].國際神經病學神經外科學雜志，2017，44（1），87-91.

[23]? 孫正海，朱家進，孟靜文，等.阿爾茨海默病患者腦神經遞質變化及分布特點研究[J].中國醫學創新，2017，（14）14：9-12.

[24]? Wen H，Ting JP，Q′Neill LA. A role for the NLRP3 inflammasome in metabolic diseases-did Warburg miss inflammation？[J]. Nat Immunol，2012，13（4）：325-357.

[25]? Yang CS，Shin DM，Jo EK. The role of NLR-related protein 3 inflammasome in host defense and inflammatory diseases [J]. Int Neurourol J，2012，16（1）：2-12.

[26]? Kanan JH，Chain BM. Modulation of dendritic cell differentiation and cytokine secretion by the hydatid cyst fluid of Echinococcus granulosus [J]. Immunology，2006，118（2）：271-278.

（收稿日期：2018-07-16? 本文編輯：封? ?華）