線粒體調(diào)節(jié)NLRP3炎性體活化的研究進展①

李露茜 鄧小明（海軍軍醫(yī)大學長海醫(yī)院麻醉學部，上海200433）

炎性體是由NOD樣受體家族（NOD like recep‐tors，NLRs）參與組裝的位于胞內(nèi)的一類多蛋白復合物。作為固有免疫系統(tǒng)的重要組成部分，炎性體在免疫和疾病發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。炎性體主要分為4種類型：NLRP1、NLRP3、NLRC4和AIM2（absent in melanoma 2），目前對NLRP3炎性體的研究最為透徹。NLRP3炎性體的過度活化與多種炎癥性疾病相關，如痛風、動脈粥樣硬化、糖尿病、肥胖、阿爾茲海默癥、炎癥性腸病、惡性腫瘤、感染等［1-2］。明確NLRP3炎性體的激活機制，對于治療NLRP3炎性體相關疾病尤為重要。

線粒體是真核細胞胞漿中由雙層磷脂膜包被的細胞器，線粒體膜與膜間腔內(nèi)含有大量參與細胞代謝的酶以及少量線粒體DNA。線粒體是細胞的能量工廠，通過氧化磷酸化生成ATP，為細胞提供代謝、生長所需的能量，近年來，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，線粒體在細胞中發(fā)揮的作用遠不限于此。線粒體可以調(diào)節(jié)免疫細胞對感染和組織損傷的反應，介導炎癥信號傳導［3］。

本文綜述了線粒體調(diào)節(jié)NLRP3炎性體活化機制的最新進展，以期為臨床治療相關疾病提供新的靶標和思路。

1 NLRP3結構特點

NLRP3炎性體主要位于細胞胞漿，其主要結構包括3部分：核心蛋白NLRP3、轉(zhuǎn)接蛋白凋亡斑點蛋白（apoptotic speck protein containing a CARD，ASC）和效應蛋白半胱氨酸天冬氨酸特異蛋白1（caspase-1）。NLRP3由氨基末端的吡啶結構域（pyrin domain，PYD）、中央的NACHT結構域（do‐main present in NAIP，CIITA，HET-E and TP1）和羧基末端的富亮氨酸重復序列（leucine-rich repeat，LRR）結構域3部分構成，其中NACHT結構域具有ATPase活性，介導NLRP3的聚合，LRR結構域通過折疊、結合NACHT結構域從而抑制NACHT發(fā)揮作用［4］。ASC由氨基末端的PYD和羧基末端的胱天蛋白酶募集結構域（caspase-activating and recruitment domain，CARD）組成。caspase 1包含氨基末端的CARD，中間的大催化結構域（p20）和羧基末端的小催化亞基結構域（p10）三個結構域。炎性體活化信號刺激細胞后，NLRP3通過NACHT相互連接，寡聚的NLRP3通過PYD-PYD相互作用募集ASC［5］，ASC再通過CARD-CARD相互作用募集pro-caspase 1。pro-caspase 1結合ASC后，p20和p10之間自我裂解，生成p33（包含CARD和p20）和p10的復合物，該復合物仍與ASC結合，此時蛋白酶解活性最強。而后CARD和p20之間裂解，釋放出p20-p10，并從ASC上解離，失去蛋白酶活性［6］。NIMA相關的激酶7（NIMA-related kinase 7，NEK7）是一種絲氨酸-蘇氨酸激酶，細胞有絲分裂時，其位于紡錘體兩端，控制胞質(zhì)的分裂。最近研究發(fā)現(xiàn)NEK7在NLRP3炎性小體激活過程中發(fā)揮著重要作用，NLRP3的LRR結構域與NEK7結合后，才能被激活，Nek7敲除小鼠的巨噬細胞在LPS與ATP刺激后，炎癥因子產(chǎn)生減少，且NEK7只調(diào)控NLRP3炎性體的激活過程，與其他炎性體的激活無關［7-8］。

2 NLRP3活化過程

NLRP3炎性體的活化過程受機體的嚴密調(diào)控，其激活一般需要兩部分信號：啟動信號和激活信號。啟動是指各種病原體相關分子模式（pathogenassociated molecular patterns，PAMPs）、損傷相關分子模式（danger-associated molecular patterns，DAMPs）與模式識別受體（pattern recognition recep‐tors，PRRs）結合，或細胞因子（TNF、IL-1β）與其相應受體結合后：一方面，炎癥反應信號轉(zhuǎn)導通路激活，NF-κB活化，炎性小體組分NLRP3、caspase 1和pro-IL-1β的轉(zhuǎn)錄表達上調(diào)；另一方面，啟動信號激活NLRP3的翻譯后修飾，修飾后的NLRP3雖然未活化，但是處于高反應性狀態(tài)，使其一旦接受激活的第二信號，可以迅速活化炎性小體，介導炎癥反應［9-10］。已接受第一信號細胞在接受第二信號激活后，NLRP3炎性小體快速活化，形成有活性的cas‐pase 1裂解pro-IL-1β、pro-IL-18并釋放IL-1β、IL-18。此外，活化的Caspase 1裂解胞內(nèi)的gasdermin D（GSDMD），生成GSDMD N-末端，GSDMD N-末端與細胞膜所含磷脂酰肌醇磷酸酯、磷脂酰絲氨酸結合，在細胞膜上形成10~14 nm的孔洞，介導細胞焦亡，同時釋放IL-1β、IL-18［11-13］。

3 線粒體與NLRP3活化

3.1 氧化磷酸化障礙線粒體是通過有氧代謝產(chǎn)生ATP為細胞提供能量的細胞器，作為氧化磷酸化的副產(chǎn)物，線粒體持續(xù)產(chǎn)生細胞活性氧（mitochon‐drial reactive oxygen species，mtROS），而在細胞應激期間，mtROS的水平會顯著增加，其進入胞質(zhì)后可活化NLRP3炎性體［14］。線粒體自噬通過清除受損、功能異常的線粒體，降低mtROS，從而抑制NL‐RP3炎性小體活化，使用線粒體自噬抑制劑可促使NLRP3炎性體活化［15］。咪喹莫特（Imiquimod）是一種小分子腺嘌呤衍生物，通過抑制醌氧化還原酶、線粒體復合物Ⅰ，活化NLRP3炎性體［16］。其活化作用僅依賴于mtROS，而與K?外流、溶酶體破壞無關，這與其他研究中使用線粒體復合物Ⅰ、Ⅲ的抑制劑誘導產(chǎn)生mtROS，從而活化NLRP3炎性體相一致［17］。核 因 子-E2相關 因 子2（nuclear factor ery‐throid derived 2-like 2，Nrf2）是機體抗氧化防御系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)因子，一方面，通過誘導相關抗氧化基因的表達來減少ROS的產(chǎn)生，從而抑制NLRP3活化［18］。另一方面，通過抑制NF-κB的激活，降低NL‐RP3、CASP1、IL-1B和IL-18的表達，降低NLRP3炎性體的活性［19］。

3.2 mtDNA線粒體損傷時釋放mtDNA，mtDNA作為一種DAMP激活NLRP3炎性體［20］。細胞受到刺激后，mtROS和Ca2+超載協(xié)同作用開放線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（mitochondrial permeability transition，MPT），從而使mtDNA釋放入細胞質(zhì)［21］。SHIMADA等［22］研究發(fā)現(xiàn)，在各種NLRP3炎性體激活劑刺激后，在細胞質(zhì)中很快能檢測到線粒體mtDNA。氧化的mtDNA特異性激活NLRP3炎性體，而未氧化的mtDNA可活化AIM2炎性體。胞苷單磷酸激酶2（cytidine/uridine monophosphate kinase 2，CMPK2）是線粒體脫氧核苷三磷酸（deoxy-nucleoside 5'-tri‐phosphates，dNTPs）合成的限速酶，為mtDNA的合成提供原料。還有研究發(fā)現(xiàn)TLR2、TLR3或TLR4受體激活后通過MyD88-TRIF-IRF1信號通路上調(diào)的CMPK2表達，活化NLRP3炎性體［23］。

3.3 炎性體組裝位點除生成、釋放mtROS和mtDNA之外，線粒體還充當NLRP3炎性體的“裝配車間”。未活化的NLRP3與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結合，而受到應激后，NLRP3轉(zhuǎn)位并結合到線粒體和線粒體相關膜（mitochondria-associated membrane，MAM）上［24］。這一過程需要多種線粒體蛋白參與：①心磷脂，從線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)位到線粒體外膜，充當線粒體與自噬、凋亡相關分子的結合位點，可結合NLRP3、caspase 1酶原［25］；②線粒體抗病毒信號蛋白（mitochondrial antiviral signal-ling protein，MAVS），RNA病毒感染、多聚肌苷酸-聚胞苷酸（polyinosinic-polycytidylic acid，Poly I：C）刺激后，MAVS招募NLRP3結合到線粒體，活化NLRP3炎性體，但MAVS不影響其他刺激劑活化NLRP3炎性體的過程；③線粒體融合蛋白2，線粒體融合蛋白2在線粒體外膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、MAM均有表達，RNA病毒感染時，線粒體融合蛋白2與MAVS一起介導NLRP3結合到線粒體的過程［26］。

3.4 代謝變化除去產(chǎn)能的功能，線粒體還可通過調(diào)節(jié)細胞的代謝方式調(diào)控炎癥反應。細菌感染時，溶酶體降解細菌細胞壁的肽聚糖，釋放N-乙酰氨基葡萄糖（N-acetylglucosamine，GlcNAc），GlcNAc與糖酵解關鍵酶己糖激酶結合并轉(zhuǎn)位到細胞質(zhì)中，活化NLRP3炎性體［27］。己糖激酶抑制劑也可激活NLRP3炎性體。此過程雖無線粒體膜破壞，但細胞質(zhì)中可檢測到mtDNA。同樣，抑制糖酵解會活化NLRP3炎性體，促進細胞焦亡［28］。游離脂肪酸（free fatty acids，F(xiàn)As）增加也可激活NLRP3炎性體［29-30］。AMP活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）在調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝過程中起重要作用。一方面，AMPK通過上調(diào)機體抗氧化防御系統(tǒng)蛋白的表達，如硫氧化還原蛋白（thioredoxin reductase，TRX）、二氧化錳超氧化物歧化酶（manganese dioxide super‐oxide dismutase，MnSOD）等，減少機體ROS水平，抑制FA誘導的炎癥［31］；另一方面，AMPK可通過激活自噬抑制NLRP3炎性體的激活。飽和棕櫚酸酯抑制AMPK，使ROS的產(chǎn)生增多，活化NLRP3炎性體［32-33］。此外，禁食、限制熱量攝入也可抑制NLRP3炎性小體活化。禁食、限制熱量攝入導致低血糖時或I型糖尿病未得到有效控制導致機體不能有效利用血糖時，能量代謝轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕蕾囍舅嵫趸┠埽纱罅客w。其中，β-羥基丁酸酯（β-hydroxy‐butyrate，BHB）可抑制NLRP3炎性體活化［34］。但是，BHB的作用機制既不是激活AMPK、抑制自噬，也不是降低ROS、抑制糖酵解，而是抑制K?外流［35］。

4 小結

隨著人均壽命延長與人口老齡化的發(fā)展，人們對糖尿病、動脈粥樣硬化、痛風、腫瘤等疾病的治療需求日益增加。近年研究發(fā)現(xiàn)，NLRP3炎性體與上述急慢性疾病密切相關，明確NLRP3炎性體的激活機制，對于開發(fā)靶向藥物與治療方案尤為重要。目前，針對NLRP3炎性體的藥物限于抑制IL-1β，抑制炎癥因子所帶來的不良反應不容忽視。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)線粒體供應機體能量外，通過多種機制調(diào)控NLRP3炎性體的激活，為治療NLRP3相關疾病提供新的靶點。