NLRP3炎癥小體與阿爾茨海默病研究進展

鐘　欣　劉明妍　魏敏杰

(中國醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院藥理學(xué)教研室，遼寧　沈陽　110001)

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NLRP3炎癥小體與阿爾茨海默病研究進展

鐘欣劉明妍魏敏杰

(中國醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院藥理學(xué)教研室，遼寧沈陽110001)

〔關(guān)鍵詞〕NLRP3；炎癥小體；β-淀粉樣蛋白；阿爾茨海默病

阿爾茨海默病(AD)典型病理變化為腦區(qū)神經(jīng)細胞間出現(xiàn)大量老年斑(SP)，神經(jīng)元胞體中出現(xiàn)神經(jīng)元纖維纏結(jié)(NFTs)，神經(jīng)元丟失及膠質(zhì)細胞增生等〔1〕。β-淀粉樣蛋白(Aβ)假說已經(jīng)成為AD發(fā)病機制的主流學(xué)說。一方面，Aβ可引起Tau蛋白異常磷酸化，進而導(dǎo)致DNA損傷、鈣離子(Ca2+)內(nèi)流、氧化應(yīng)激等變化，推進AD神經(jīng)退行性變進程〔2〕。另一方面，病理性Aβ沉積還可通過激活鈣通道觸發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及線粒體應(yīng)激反應(yīng)引起細胞凋亡、突觸完整性破壞和細胞膜功能喪失，導(dǎo)致記憶能力下降和認知功能障礙〔3〕。

近年來，越來越多的證據(jù)揭示了先天免疫在AD的發(fā)病機制中發(fā)揮了重要作用。小膠質(zhì)細胞(MG)作為構(gòu)成神經(jīng)微環(huán)境中主要的免疫細胞，在AD病程中不斷被激活并被招募至SP，在吞噬Aβ的同時，還分泌促炎癥性細胞因子。AD患者腦內(nèi)MG的白細胞介素(IL)-1β、IL-18表達水平明顯上調(diào)〔4,5〕，且特異性阻斷IL-1β可減緩AD模型小鼠腦內(nèi)Tau蛋白的過度磷酸化，改善認知障礙〔6～8〕。另外，MG特異性炎癥小體激活是一種新的神經(jīng)免疫炎性AD病理機制〔9，10〕。其中，NLRP3炎癥小體作為固有免疫過程中激活胱天蛋白酶(caspase)-1和IL-1β的重要介質(zhì)，與AD神經(jīng)炎癥的發(fā)生發(fā)展過程密切相關(guān)。本文對NLRP3炎癥小體在AD中的研究進展進行綜述，探討Aβ介導(dǎo)NLRP3炎癥小體的激活導(dǎo)致AD病理變化的可能機制。

1NLRP3炎癥小體

在固有免疫系統(tǒng)中，組織器官中的巨噬細胞可以通過模式識別受體(PRR)識別和吞噬病原體，促進自我防御和炎癥反應(yīng)發(fā)生。PRR可以識別特定的病原相關(guān)分子模式(PAMPs)和損傷相關(guān)分子模式(DAMPs)。常見的PRR包括Toll 樣受體(TLR)、RIG-1樣受體(RLRs)和核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域(NOD)樣受體(NLRs)。NLRs激活后可以在胞質(zhì)內(nèi)形成一種多蛋白復(fù)合體，即炎癥小體〔11〕。

炎癥小體的結(jié)構(gòu)由NLR蛋白、凋亡相關(guān)點樣蛋白(ASC)和caspase-1的前體(pro-caspase-1)組成。其中，NLR蛋白可以識別配體和危險信號，ASC用于募集和激活效應(yīng)蛋白，主要是與pro-caspase-1結(jié)合，進而產(chǎn)生有活性的caspase-1。

NLRs 是構(gòu)成炎癥小體多種蛋白質(zhì)中的核心成分。NLRs分子由N端的效應(yīng)結(jié)構(gòu)域、中段的特征性結(jié)構(gòu)域(NACHT)和C端的亮氨酸富集結(jié)構(gòu)域(LRR)組成。根據(jù)不同炎癥小體N端效應(yīng)結(jié)構(gòu)域的不同，NLRs被分成不同的亞組，包括NLRA、NLRB、NLRC、NLRP等〔12〕。

NLRP是N端熱蛋白樣結(jié)構(gòu)域(PYD)的NLR，它包含14個亞家族，包括NLRP1(NALP1)、NLRP3(也被稱為NALP3、cryopyrin、PYPAF1、CIAS1或CLR1.1)和IPAF等。其中NLRP3是目前被研究最多和最明確的NLR蛋白，PAMPs如脂多糖，可以刺激TLRs在細胞表面或核內(nèi)表達，促進其在細胞內(nèi)的聚集與炎性因子前體的產(chǎn)生；而DAMPs包括宿主細胞死亡、感染或應(yīng)激時釋放的三磷酸腺苷(ATP)、腺苷、尿酸鹽結(jié)晶及染色體蛋白等，其與危險信號的相應(yīng)配體結(jié)合后可引起炎性因子的產(chǎn)生和分泌〔13〕。有報道認為線粒體活性氧族(mtROS)和線粒體DNA(mtDNA)也可能是觸發(fā)NLRP3激活的始動因素〔14〕。

2NLRP3炎癥小體的激活

NLRP3炎癥小體的激活過程通常需要兩種信號。第一種信號是細胞膜表面的PAMPs被TLR識別后，激活核轉(zhuǎn)錄因子(NF)-κB通路，促進NLRP3和pro-IL-1β的轉(zhuǎn)錄〔15,16〕；第二種信號是外源性的PAMPs或內(nèi)源性的DAMPs進一步促進NLRP3、ASC與pro-caspase-1依次連結(jié)形成NLRP3炎癥小體復(fù)合體。關(guān)于NLRP3炎癥小體激活模式的第二種信號，近年來比較公認的有3種，現(xiàn)簡述如下：

2.1離子通道模型細胞損傷或壞死時釋放出的高濃度ATP可以與嘌呤受體P2X配體門控離子通道7(P2X7)結(jié)合，引起P2X7的開放，從而觸發(fā)鉀離子(K+)的快速外流和pannexin1半通道的形成。多數(shù)研究者認為是K+的快速外流及代償性的Ca2+內(nèi)流引起NLRP3的激活〔17〕。而有研究亦發(fā)現(xiàn)pannexin1作為一種縫隙連接蛋白，可以使一些大分子如ATP進入胞質(zhì)，啟動NLRP3炎癥小體的激活〔18〕。

2.2溶酶體損傷模型當PAMPs如較大的顆粒、晶體或者活的病原體在被巨噬細胞吞噬以后，會使吞噬體失去穩(wěn)定性，破壞溶酶體膜，導(dǎo)致溶酶體內(nèi)組織蛋白酶B(cathepsinB)釋放到胞質(zhì)，進而激活NLRP3炎癥小體〔19〕。而用質(zhì)子泵抑制劑抑制酸性依賴的溶酶體蛋白酶后，結(jié)晶物質(zhì)誘導(dǎo)NLRP3炎癥小體的激活則幾乎被完全抑制〔20〕，這證實溶酶體損傷在NLRP3炎癥小體激活過程中的重要作用。

3活性氧族(ROS)生成

細胞在應(yīng)激狀態(tài)下可以引起還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶或過氧化氫酶依賴的高濃度ROS的產(chǎn)生〔21〕，它可以使硫氧還蛋白相互作用蛋白(TXNIP)與硫氧還蛋白抗氧化蛋白(TRX)解離〔22〕，然后與NLRP3的LRR結(jié)構(gòu)域結(jié)合，從而解除LRR介導(dǎo)的NLRP3與分子伴侶結(jié)合的自身抑制狀態(tài)，最終激活NLRP3。NLRP3相關(guān)的分子伴侶包括泛素蛋白連接酶相關(guān)蛋白(SGT)1和熱休克蛋白(HSP)90等〔23〕。當用NLRP3炎癥小體的激活劑如ATP處理MG后，ROS水平顯著提高；而抑制ROS后，caspase-1的激活和IL-1β的成熟也被相應(yīng)抑制〔24〕，這提示ROS與NLRP3炎癥小體激活存在正反饋機制。

除上述ROS外，調(diào)控NLRP3炎癥小體激活的ROS可能來源于線粒體〔25〕。事實表明，NLRP3炎癥小體介導(dǎo)的IL-1β的分泌受胞質(zhì)和線粒體的ROS水平及線粒體功能的影響〔26〕。有研究者發(fā)現(xiàn)mtROS可以刺激NLRP3由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)重定位至線粒體結(jié)合內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜(MAM)處，同時ASC也由胞質(zhì)募集到MAM，并與NLRP3和pro-caspase-1序貫結(jié)合為NLRP3炎癥小體〔27〕。MAM是線體外膜與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜相連形成的一種結(jié)構(gòu)，它對于脂質(zhì)轉(zhuǎn)運、脂質(zhì)和類固醇的合成及線粒體內(nèi)Ca2+水平的調(diào)節(jié)都有重要作用，這說明線粒體功能在NLRP3炎癥小體的激活過程中扮演重要角色。

此外，自噬可通過調(diào)節(jié)線粒體功能調(diào)控NLRP3炎癥小體的激活。線粒體損傷所引起的自噬可以減少NLRP3激活劑所觸發(fā)的mtROS的釋放，從而抑制NLRP3炎癥小體的激活〔28〕。這說明自噬及線粒體功能在NLRP3炎癥小體激活過程的重要作用。值得一提的是，在宿主細胞的炎癥小體激活引發(fā)一系列炎癥反應(yīng)的同時，機體本身也通過T細胞調(diào)節(jié)、宿主細胞的內(nèi)源性一氧化氮(NO)、微小RNA(MicroRNA)核細胞因子等與炎癥反應(yīng)共同維持內(nèi)穩(wěn)態(tài)平衡〔29〕。盡管有上述幾種模式可能在NLRP3炎癥小體激活過程中發(fā)揮作用，但所產(chǎn)生的調(diào)控作用并不是唯一的，其具體且明確的激活方式仍需進一步探索研究。

4NLRP3炎癥小體的生物學(xué)效應(yīng)

4.1促進炎性因子成熟和釋放NLRP3炎癥小體在識別DAMPs或PAMPs時被激活，pro-caspase-1活化為caspase-1，并特異性切割I(lǐng)L-1β、IL-18等炎性因子前體，使其成熟并釋放到胞外，進一步激活淋巴細胞，促進白細胞在損傷部位的浸潤，誘導(dǎo)發(fā)熱及參與全身和局部的感染、損傷和免疫反應(yīng)〔30〕。

4.2對細胞代謝的影響NLRP3炎癥小體的激活還可以影響糖酵解和脂肪生成等代謝過程〔31〕。例如，在2型糖尿病(T2DM)進程中，慢性高血糖會引起TXNIP表達增加，使其與NLRP3結(jié)合導(dǎo)致NLRP3炎癥小體激活及IL-1的分泌，加劇胰島功能障礙。同理，痛風(fēng)患者血液中升高的尿酸鈉結(jié)晶同樣依賴于TXNIP與NLRP3結(jié)合激活NLRP3炎癥小體，導(dǎo)致IL-1的分泌及局部疼痛和炎癥〔32〕。另外，脂肪酸可以在小鼠肝細胞中激活炎癥小體進而釋放危險信號，激活免疫細胞，這也證明了炎癥小體對細胞代謝的作用〔33〕。

4.3觸發(fā)pyroptosisNLRP3炎癥小體被激活形成caspase-1后，除可引起IL-1β、IL-18等前炎性因子的合成和分泌，還介導(dǎo)一種程序性死亡過程(pyroptosis)〔34〕。pyroptosis是一種依賴于caspase-1的炎性細胞死亡過程，其特征性形態(tài)為細胞腫脹、膜孔形成、內(nèi)容物釋放和多種炎癥因子的生成和分泌等。它是一種不同于凋亡、壞死和自噬的一種新型細胞死亡途徑，在多種疾病模型和控制微生物感染方面發(fā)揮重要作用〔35〕。

5NLRP3與AD

NLRP3炎癥小體引起人們關(guān)注最初是在對冷吡啉相關(guān)的周期性綜合征的研究中。研究者發(fā)現(xiàn)其患者多表現(xiàn)為cryopyrin基因缺失〔36〕，而臨床試驗亦證實注射IL-1受體拮抗劑可治療這種疾病。隨后的研究陸續(xù)發(fā)現(xiàn)炎癥相關(guān)的自身免疫性疾病如接觸性過敏反應(yīng)、T2DM、痛風(fēng)、腫瘤等都與NLRP3炎癥小體相關(guān)〔37～40〕。

NLRP3炎癥小體在AD發(fā)病機制中的作用日益顯著，為AD研究提供新靶點和新思路。AD中的SP可以招募MG吞噬Aβ、分泌促炎性和趨化因子，進一步影響周圍組織、擴大神經(jīng)毒性效應(yīng)。有趣的是大腦內(nèi)源性NLRP3炎性小體激活僅限于斑塊相關(guān)的MG，即MG特異性NLRP3炎性小體激活是影響AD發(fā)病的關(guān)鍵因素〔41〕。

研究者首次于2008年提出，用Aβ孵育小鼠原代MG后，NLRP3炎癥小體被激活，且MG對纖維化Aβ的吞噬可導(dǎo)致溶酶體腫脹破裂并釋放cathepsinB，促進IL-1β、TNF-α等炎性因子的成熟釋放和趨化因子生成；而MG中NLRP3炎癥小體啟動也依賴于IL-1β、caspase-1的激活〔42,43〕。此后，Heneka等〔41〕又進一步證實NLRP3炎癥小體激活可以促進APP/PS1雙轉(zhuǎn)基因鼠腦內(nèi)Aβ沉積和AD病理進程，而NLRP3基因敲除小鼠可顯著緩解空間記憶障礙，促進Aβ的消除過程。LLRP3基因缺失還可使MG轉(zhuǎn)向M2表型，在減少一氧化氮合酶(NOS)2表達的同時，還在很大程度上抑制Aβ生成〔41〕。也就是說，在AD過程中，Aβ可激活MG產(chǎn)生NLRP3炎癥小體，從而介導(dǎo)MG極化為M1表型，表現(xiàn)為神經(jīng)元丟失、Aβ清除障礙和記憶喪失的神經(jīng)炎癥作用；而當特異性敲除MG中的NLRP3或caspase-1時，則使MG轉(zhuǎn)化為M2表型，表現(xiàn)為Aβ清除增加、空間記憶和組織重塑的神經(jīng)保護作用〔44〕。

綜上，NLRP3炎癥小體在AD相關(guān)的神經(jīng)炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。然而，AD過程中NLRP3炎癥小體的具體激活機制仍有待進一步研究。認識到NLRP3炎癥小體在AD病程中的關(guān)鍵作用，有利于揭示AD發(fā)病機制的本質(zhì)，深入理解IL-1β、IL-18 等炎性細胞因子激活和釋放及溶酶體損傷過程在AD中發(fā)揮作用的具體機制。

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〔2015-03-21修回〕

(編輯馮超/王一涵)

基金項目：國家科技部“重大新藥創(chuàng)制”科技重大專項子課題(2013ZX09103001-003);遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項目(L2012279);遼寧省科學(xué)技術(shù)計劃項目(2013225079)

通訊作者：魏敏杰(1963-)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事分子與腫瘤藥理學(xué)研究。

〔中圖分類號〕R741.02

〔文獻標識碼〕A

〔文章編號〕1005-9202(2016)13-3318-04；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.13.110

第一作者：鐘欣(1989-)，女，在讀博士，主要從事神經(jīng)藥理學(xué)研究。