AMPK通過抑制NLRP3炎癥小體參與延緩衰老過程*

尚畫雨， 沈文清， 馬穰桂， 夏 志

（1成都體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)與健康學(xué)院，四川成都610041；2華東師范大學(xué)體育與健康學(xué)院，上海200241；3井岡山大學(xué)體育學(xué)院，江西吉安343009）

衰老是在細(xì)胞、組織和器官水平上發(fā)生的生理性內(nèi)穩(wěn)態(tài)的漸進(jìn)性損害過程。就代謝角度而言，該過程主要表現(xiàn)為體成分、胰島素抵抗、自噬功能障礙、線粒體和炎癥反應(yīng)的變化，其中涉及生長激素、胰島素/胰島素樣生長因子1及各種能量感應(yīng)系統(tǒng)如AMP活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）、沉默信息調(diào)節(jié)因子（silent information regulators，SIRTs）等多條信號通路的變化［1］。而從臨床角度來看，諸如代謝紊亂、心血管疾病和神經(jīng)退行性疾病等眾多疾病的發(fā)生發(fā)展亦與衰老密切相關(guān)。目前，學(xué)界普遍認(rèn)為呈時(shí)間依賴性的細(xì)胞損傷是機(jī)體衰老的主要原因。但近期研究表明，采取改變能量感應(yīng)系統(tǒng)和炎癥水平的策略可促進(jìn)長壽和延長健康壽命，提示通過調(diào)控機(jī)體能量感應(yīng)與炎癥水平可能具有延緩機(jī)體衰老的重要潛力［1］。本文擬就近年來能量開關(guān)AMPK與核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白 3（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3）炎癥小體的相關(guān)進(jìn)展進(jìn)行梳理，探析其在衰老進(jìn)程中的調(diào)控作用，并歸納其與線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（endoplasmic reticulum stress，ERS）、自噬和SIRT1等常見代謝途徑的互作關(guān)系，為從能量感應(yīng)和炎癥水平調(diào)控角度探尋延緩衰老和防治衰老相關(guān)疾病的臨床干預(yù)手段提供有益參考。

1 AMPK在衰老過程中的作用

大量研究結(jié)果表明，信號分子AMPK的活化與衰老過程中對代謝變化的反應(yīng)能力下降有關(guān)［1］，其直接參與多種衰老相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展，如心肌缺血、心肌肥大和心力衰竭等心臟疾?。?］，以及阿爾茨海默?。ˋlzheimer disease，AD）、帕金森病（Parkinson disease，PD）和肌萎縮側(cè)索硬化癥等神經(jīng)退行性疾病［3］。此外，亦與代謝綜合征和糖尿?。╠iabetes mellitue，DM）等一系列增齡性代謝紊亂疾病有關(guān)［4］。

近期研究發(fā)現(xiàn)，AMPK可抑制核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）途徑的激活，由于NF-κB作為先天免疫和炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子可協(xié)同其下游NLRP3炎癥小體參與AD進(jìn)程［5］，從而提示AMPK還參與了炎癥反應(yīng)的調(diào)控。Zhou等［6］研究證實(shí)，軟骨細(xì)胞特異性AMPKα1或AMPKα2敲除小鼠和AMPKα1/α2雙敲除小鼠均呈現(xiàn)出更為嚴(yán)重的與自發(fā)增齡性/手術(shù)誘導(dǎo)近似的骨關(guān)節(jié)炎，同時(shí)其白細(xì)胞介素1β（interleukin-1β，IL-1β）水平顯著升高，提示了AMPK在增齡性骨關(guān)節(jié)炎中的重要作用。此外，小鼠骨骼肌特異性AMPK敲除亦被證實(shí)可誘發(fā)肌肉功能減退的肌病［7］，且AMPKα2敲除小鼠可呈現(xiàn)出皮膚［8］及細(xì)胞［9］的老化加速，同時(shí)增齡性的心功能不全癥狀更為顯著［10］。以上研究結(jié)果表明，AMPK在骨和骨骼肌的增齡性變化以及心臟和皮膚增齡性損傷中均發(fā)揮了重要作用。然而，其具體作用機(jī)制仍不明確。最近Jiang等［11］報(bào)道指出，青蒿素可能通過誘導(dǎo)AMPK/NF-κB/NLRP3途徑明顯抑制巨噬細(xì)胞內(nèi)炎癥反應(yīng)，從而有效改善主動(dòng)脈粥樣硬化。需要指出的是，由于炎癥反應(yīng)在上述所有病理過程中均發(fā)揮關(guān)鍵作用，因此深入研究AMPK在炎癥中的調(diào)控機(jī)制對于延緩衰老進(jìn)程、防治衰老相關(guān)疾病可能具有重要意義。

2 NLRP3炎癥小體在衰老過程中的作用

NLRP3炎癥小體包含一個(gè)富含亮氨酸重復(fù)序列（leucine-rich repeat，LRR）結(jié)構(gòu)域、一個(gè)中心核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域（nucleotide-binding oligomerization domain，NOD）和一個(gè)氨基末端熱蛋白結(jié)構(gòu)域（pyrin domain，PYD），主要與含有胱天蛋白酶募集域（caspase recruitment domain，CARD）的凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC）相互作用［12］。作為一類多蛋白復(fù)合物，在暴露于致病微生物和宿主危險(xiǎn)信號后，胞質(zhì)內(nèi)一些模式識別受體（pattern recognition receptors，PRRs）充當(dāng)病原體相關(guān)分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）和損傷相關(guān)分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMPs）的傳感器，可通過激活胱天蛋白酶1（caspase-1）導(dǎo)致IL-1β和IL-18的成熟和釋放，進(jìn)而形成炎癥小體［12］。其中，PAMPs和DAMPs可通過降低細(xì)胞內(nèi)K+濃度、介導(dǎo)線粒體損傷促使活性氧（reactive oxygen species，ROS）生成或溶酶體組織蛋白酶B（cathepsin B）的胞漿釋放，最終誘導(dǎo)NLRP3炎癥復(fù)合物激活［12］，見圖1。研究表明，上述刺激條件可隨衰老而明顯升高并激活NLRP3炎癥小體，進(jìn)而參與衰老性疾病的炎癥進(jìn)程［13］，因此被認(rèn)為是該進(jìn)程中介導(dǎo)無菌性炎癥的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素［14］。

最近，人們開始關(guān)注NLRP3炎癥小體在衰老過程中的作用。Stout-Delgado等［15］研究發(fā)現(xiàn)，野生型老年小鼠呈現(xiàn)NLRP3高表達(dá)的肺纖維化，而NLRP3敲除使其更能抵抗由肺泡巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)性和自然增齡性纖維化。McBride等［16］指出，NLRP3缺失小鼠的健康壽命得以延長，多種增齡性退行性改變被弱化，不僅呈現(xiàn)出相對肌肉力量和耐力增加，其肌病纖維數(shù)量的增齡性上調(diào)現(xiàn)象亦得到抑制。此外，增齡性游離膽固醇（free cholesterol，F(xiàn)C）和神經(jīng)酰胺水平的升高已被證明會導(dǎo)致小鼠胸腺內(nèi)免疫監(jiān)控下降而激活NLRP3炎癥復(fù)合物，而將NLRP3和ASC基因敲除后，其增齡性的胸腺萎縮癥狀明顯減輕，同時(shí)皮質(zhì)胸腺上皮細(xì)胞和T細(xì)胞祖細(xì)胞的數(shù)量均有所增加［17］。另有報(bào)道指出，老齡小鼠體內(nèi)腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）水平明顯升高可進(jìn)一步誘發(fā)NLRP3炎癥小體活化［18］。雖然NLRP3炎癥小體在 AD［19］、動(dòng)脈粥樣硬化［11］和 DM［20］等多種衰老相關(guān)疾病中均見表達(dá)上調(diào)，但目前尚不清楚衰老過程中NLRP3炎癥小體的激活究竟是增齡性疾病的誘因還是繼發(fā)性應(yīng)答，尚有待后續(xù)研究予以闡明。此外，衰老過程中調(diào)控NLRP3炎癥復(fù)合物的分子機(jī)制仍不明確，厘清其調(diào)控因素可能為控制炎癥提供有益靶標(biāo)，并有助于進(jìn)一步延長健康壽命。目前，關(guān)于NLRP3炎癥小體依賴性過程（如線粒體、ERS、自噬和SIRT1）的各種功能研究均認(rèn)為，AMPK是NLRP3炎癥復(fù)合物的重要調(diào)控因子。

Figure 1.Composition and activation of NLRP3 inflammasome［12］.圖1 NLRP3炎癥小體的組成和激活［12］

3 AMPK對NLRP3炎癥小體的調(diào)節(jié)作用

3.1 線粒體 作為調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)、生物合成和降解的主要步驟，當(dāng)線粒體出現(xiàn)功能障礙時(shí)，AMPK途徑活化以避免能量感應(yīng)不足［21］，介導(dǎo)下游過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptorγ coactivator-1α，PGC-1α）和 核 呼 吸 因 子 1（nuclear respiratory factor-1，NRF1）表達(dá)，觸發(fā)線粒體生物合成。線粒體是多條途徑激活NLRP3炎癥小體的共同介質(zhì)，其中ROS作為氧化型線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）的近端信號而激活NLRP3炎癥復(fù)合物［22］。Garrido-Maraver等［23］研究發(fā)現(xiàn)，AMPK可通過上調(diào)錳超氧化物岐化酶和過氧化氫酶的表達(dá)，參與細(xì)胞防御以對抗線粒體ROS介導(dǎo)的氧化應(yīng)激?？寡趸瘎│?生育酚亦被證實(shí)可在AMPK活化的條件下抑制NLRP3炎性小體激活從而延緩DM進(jìn)程［24］。

此外，氧化應(yīng)激和線粒體功能受損伴低度炎癥狀態(tài)對衰老的影響亦已得到研究證實(shí)［1］，因此由衰老誘發(fā)的線粒體功能障礙與NLRP3炎癥小體之間可能存在關(guān)聯(lián)。Wu等［25］指出，線粒體靶點(diǎn)抗氧化肽SS-31可有效改善衰老小鼠體內(nèi)NLRP3炎癥小體介導(dǎo)的認(rèn)知缺陷。鑒于具有誘導(dǎo)AMPK活化潛能的抗氧化劑可抑制NLRP3復(fù)合物激活，受AMPK調(diào)節(jié)的內(nèi)源性抗氧化生物合成可能是抑制增齡性線粒體ROS（mitochondrial ROS，mtROS）的保護(hù)性靶點(diǎn)。不少報(bào)道指出，內(nèi)源性抗氧化劑褪黑素（melatonin，MT）能有效下調(diào)衰老小鼠體內(nèi)的氧化應(yīng)激和NLRP3炎癥小體表達(dá)，提示其可能通過抑炎效應(yīng)而在促進(jìn)健康方面發(fā)揮重要作用［26］，但MT抑制NLRP3炎癥復(fù)合物的具體分子機(jī)制尚不明確。Wang等［27］還發(fā)現(xiàn)，MT以保護(hù)性的方式誘導(dǎo)老年小鼠體內(nèi)AMPK活化，同時(shí)抑制還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）氧化酶催化亞基gp91phox過表達(dá)，有效改善脂多糖誘導(dǎo)的血腦屏障功能障礙，其作用效果與二甲雙胍（metformin，Met）干預(yù)相同。雖然AMPK活化可通過上述多種機(jī)制抑制NLRP3炎癥小體活化，但MT抑制gp91可能與gp91參與衰老過程中NLRP3復(fù)合物激活有關(guān)，仍有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

3.2 ERS ER作為蛋白質(zhì)合成和折疊的主要場所，在多個(gè)分子伴侶、折疊酶和輔酶因子的活性作用下調(diào)節(jié)新蛋白質(zhì)的折疊和降解，因而被視為是蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分［1］。在衰老過程中，隨著蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的緩沖能力下降，細(xì)胞內(nèi)錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)組成聚集體逐漸積累，最終導(dǎo)致組織細(xì)胞功能下降并誘發(fā)細(xì)胞凋亡［28］。ERS反應(yīng)也稱為未折疊蛋白反應(yīng)（unfolded protein response，UPR），其作為一種協(xié)調(diào)適應(yīng)性反應(yīng)，限制ER內(nèi)未折疊蛋白質(zhì)的積累，并通過調(diào)節(jié)不同UPR靶基因以抵御體內(nèi)多種增齡性改變［28］。

研究表明，ERS能激活NLRP3炎癥小體，但AMPK活化會通過抑制蛋白質(zhì)的翻譯而減弱ERS［28］。因此，白藜蘆醇（resveratrol，Res）、Met、AICAR和水楊酸鹽等AMPK激活劑可通過抑制ERS而阻止NLRP3 炎癥小體激活［29-30］。近期研究在 DM［29］和內(nèi)皮功能障礙［30］兩個(gè)增齡性病理過程以及自然衰老大鼠［28］中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，使用AMPK激活劑能明顯削弱ERS，從而有效抑制NLRP3炎癥復(fù)合物活化，且施加AMPK抑制劑可誘發(fā)相反的表型變化［31］。以上研究結(jié)果提示，通過AMPK活化抑制ERS，進(jìn)而負(fù)性調(diào)節(jié)NLRP3炎癥小體，對于延緩衰老以及防治衰老相關(guān)疾病可能具有重要意義。

3.3 自噬 自噬作為一種溶酶體降解途徑，可將功能失調(diào)的胞質(zhì)原件清除并再循環(huán)，從而維持細(xì)胞能量和氨基酸穩(wěn)態(tài)［32］。在衰老過程中，自噬水平明顯下調(diào)，受損蛋白質(zhì)和細(xì)胞器（如線粒體）的累積可導(dǎo)致諸多生理過程發(fā)生增齡性改變。研究表明，自噬相關(guān)基因 5（autophagy-related gene 5，ATG5）過表達(dá)小鼠與正常小鼠相比，其壽命增加約17%，且呈現(xiàn)胰島素敏感性、肌力和氧化還原穩(wěn)態(tài)有效改善［33］。此外，誘導(dǎo)自噬激活亦為衰老過程中維持心臟功能和活力的關(guān)鍵因素［10］，而自噬缺失則會進(jìn)一步加重絕經(jīng)性骨質(zhì)疏松癥［34］，提示上調(diào)機(jī)體自噬水平可在一定程度上延長壽命和延緩衰老。此外，自噬在調(diào)節(jié)炎癥細(xì)胞活化、清除炎癥細(xì)胞激活的內(nèi)源性信號、隔離和降解炎癥細(xì)胞組分等方面也發(fā)揮著重要作用。Liu等［35］報(bào)道指出，通過激活A(yù)MPK/Unc-51樣激酶1（Unc-51-like kinase 1，ULK1）/p62信號通路誘導(dǎo)線粒體自噬，能有效阻止線粒體膜電位丟失以抑制NLRP3炎癥小體活化，見圖2。反之，自噬流量標(biāo)志物p62特異性敲除將導(dǎo)致受損線粒體積聚和IL-1β介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)過度發(fā)生，而p62的延時(shí)復(fù)表達(dá)則可引發(fā)NF-κB抗炎效應(yīng)，誘導(dǎo)NLRP3炎癥小體失活［36］。亦有學(xué)者證實(shí)，自噬流量的阻斷會誘導(dǎo)NLRP3炎癥復(fù)合物激活［37］。由此可見，自噬誘導(dǎo)機(jī)制在負(fù)性調(diào)節(jié)NLRP3炎癥小體方面可能具有重要潛力。

Figure 2.Activation of AMPK/ULK1/p62 signaling pathway and inhibition of NLRP3 inflammasome activation by activating autophagy-induced decreased mtROSand mtDNA release to cytoplasm［35］.圖2 AMPK/ULK 1/p62自噬通路激活下調(diào)mtROS、mtDNA釋放入胞質(zhì)而抑制NLRP3炎癥小體的活化［35］

近期報(bào)道指出，富含刺激醛的特級初榨橄欖油可通過激活A(yù)MPK/ULK1途徑誘導(dǎo)自噬以抑制NLRP3炎癥小體激活，有效改善AD小鼠血腦屏障功能，并減輕AD相關(guān)的病理損傷［38］。Ko等［39］施加雷帕霉素（rapamycin，RAPA）誘導(dǎo)自噬水平升高，進(jìn)而清除mtROS，從而抑制IL-1β、IL-18釋放和caspase-1激活，且Res、京尼平和抗抑郁藥物等化合物亦可通過誘導(dǎo)自噬對NLRP3炎癥小體發(fā)揮負(fù)性調(diào)節(jié)作用［40-42］。有趣的是，上述自噬誘導(dǎo)化合物均被證實(shí)能夠誘導(dǎo)AMPK磷酸化并參與衰老進(jìn)程。例如，RAPA可通過誘導(dǎo)自噬和抑制哺乳動(dòng)物RAPA靶蛋白（mammalian target of RAPA，mTOR）表達(dá)以延緩衰老和延長壽命［43］。據(jù)此推測，RAPA對NLRP3炎癥小體的抑制作用可能與該藥物明顯改善機(jī)體代謝能力有關(guān)。此外，Res與長壽和健康壽命亦有關(guān)聯(lián)［44］。Wu等［45］近期發(fā)現(xiàn)，Res通過上調(diào)AMPK誘導(dǎo)線粒體自噬發(fā)生，有效減輕腹膜間皮細(xì)胞內(nèi)ROS-NLRP3介導(dǎo)的炎性損傷。然而，其抗衰老作用是否與NLRP3復(fù)合物抑制有關(guān)則有待后續(xù)研究進(jìn)一步探明。

3.4 SIRT1 SIRTs是一組（SIRT1至SIRT7）高度保守的脫乙酰酶，其活性依賴煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）。其中，核蛋白SIRT1構(gòu)象與原核生物體內(nèi)長壽基因Sir2的表達(dá)產(chǎn)物最為相似，且與AMPK具有許多相似的作用，包括二者對應(yīng)激和營養(yǎng)狀態(tài)的響應(yīng)、誘導(dǎo)線粒體生物合成、調(diào)節(jié)糖穩(wěn)態(tài)以及控制重要轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子（如PGC-1α、FOXOs和乙?；D(zhuǎn)移酶p300等）活性的能力［21］。此外，Res和熱量限制對促進(jìn)健康的積極作用也被認(rèn)為與激活 SIRT1和AMPK有關(guān)［21，46］。研究發(fā)現(xiàn)，AMPK依賴細(xì)胞內(nèi)NAD+水平升高而激活SIRT1，反之SIRT1則介導(dǎo)AMPK激酶人類肝激酶1（liver kinase B1，LKB1）去乙酰化，促使AMPK的磷酸化激活［46］，以上結(jié)果提示二者存在互作關(guān)系。進(jìn)一步針對AMPK激活劑Res的研究結(jié)果表明，其增強(qiáng)線粒體功能的機(jī)理在于SIRT1與AMPK之間具有一個(gè)正反饋回路，從而可將這兩個(gè)低能量狀態(tài)傳感器連接而產(chǎn)生統(tǒng)一響應(yīng)［46］。

此外，敗血癥小鼠在施加SIRT1高選擇性抑制劑 EX527［47］或SIRT1基因敲除［48］后，其體內(nèi)活化的IL-1β水平明顯升高。在內(nèi)皮細(xì)胞中，SIRT1敲除可誘導(dǎo)NLRP3炎癥小體激活，SIRT1復(fù)表達(dá)則抑制后者活性［49］。以上研究結(jié)果表明，SIRT1對NLRP3炎癥復(fù)合物具有負(fù)性調(diào)節(jié)作用，但其分子機(jī)制目前仍不明確，且在衰老及其相關(guān)疾病中的炎性效應(yīng)尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。Li等［50］最近的研究指出，CD40可能在內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)參與了SIRT1對NLRP3炎癥小體的負(fù)性調(diào)節(jié)過程。鑒于SIRT1在衰老中的角色以及對NLRP3炎癥復(fù)合物的負(fù)性調(diào)節(jié)作用，研究SIRT1特異性激活劑（SRT1720或SRT2104）或抑制劑（EX527）對衰老過程中NLRP3炎癥小體的影響可能將頗具意義。綜上所述，我們將衰老過程中AMPK對NLRP3炎癥小體的調(diào)節(jié)作用歸納于圖3。

Figure 3.The regulatory effect of AMPK on NLRP3 inflammasome during aging.圖3 衰老過程中AMPK對NLRP3炎癥小體的調(diào)節(jié)作用

4 小結(jié)與展望

AMPK可通過線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)、ERS、自噬和SIRT1激活等多條途徑調(diào)控NLRP3炎癥復(fù)合物，在延緩衰老方面可能具有重要潛力。衰老進(jìn)程中的常見分子事件如線粒體功能障礙和ROS生成或mtDNA氧化、自噬缺陷、溶酶體通透性改變和各種代謝產(chǎn)物（如FC、葡萄糖）的累積等均可激活或抑制NLRP3炎癥小體，而后者與DM、動(dòng)脈粥樣硬化、心血管和神經(jīng)退行性疾病等衰老性疾病密切相關(guān)。因此，抑制NLRP3炎癥小體的特定化合物可作為新的抗衰老藥物繼續(xù)深入研究。在未來的相關(guān)研究中，還應(yīng)考慮在體內(nèi)或體外不同應(yīng)激狀態(tài)下，或在NLRP3突變模型中，深入研究NLRP3與其它炎癥復(fù)合物以及調(diào)節(jié)因子的相互作用，以期探明NLRP3炎癥小體在各種抗衰老策略改善AMPK/SIRT1和自噬流量、減少應(yīng)激和抑制炎癥等過程中的不同作用究竟如何整合至協(xié)調(diào)反應(yīng)之中。此外，其它炎癥復(fù)合物是否參與衰老進(jìn)程？AMPK能否調(diào)節(jié)這些復(fù)合物？均亟待明確。盡管上述分子機(jī)制尚有待未來研究進(jìn)一步闡明，但NLRP3炎癥小體這一特殊的炎癥復(fù)合物很可能成為藥物和/或運(yùn)動(dòng)干預(yù)衰老以及衰老相關(guān)疾病進(jìn)程的共同靶點(diǎn)。