NLRP3在擴(kuò)張型心肌病中的研究進(jìn)展

余電有,劉莉

(1.右江民族醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科,廣西百色 533000;2.右江民族醫(yī)學(xué)院研究生學(xué)院,廣西百色 533000)

擴(kuò)張型心肌病(dilated cardiomyopathy,DCM)的特征是一個(gè)或兩個(gè)心室的擴(kuò)張和收縮障礙引起的一種常見的致命性心血管系統(tǒng)疾病[1]。DCM的全球患病率高達(dá)40/10萬[2],其中歐美地區(qū)患病率約為36.5/10萬[3],我國(guó)的患病率約為19/10萬[4]。DCM可分為遺傳型、獲得型。遺傳型是由基因突變引起,目前超過40%的DCM病例被證實(shí)是家族遺傳的[5],已發(fā)現(xiàn)DCM的致病基因超過60個(gè)[6]。在非遺傳因素方面,證實(shí)了DCM與炎癥密切相關(guān)。NLRP3炎癥小體在炎癥、先天免疫反應(yīng)、細(xì)胞凋亡和細(xì)胞焦亡的調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用,活化的NLRP3介導(dǎo)了多種促炎途徑進(jìn)而介導(dǎo)了心肌細(xì)胞壞死、心肌纖維化、心肌細(xì)胞骨架紊亂及心肌重構(gòu)的病理生理過程[7-8]。

1 NLRP3炎癥小體的組成和激活

NLRP3炎癥小體由三種蛋白質(zhì)組成:NLRP3蛋白、半胱天冬酶募集結(jié)構(gòu)域(ASC)和pro-caspase-1的銜接蛋白凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白[9]。NLRP3包含C端的富含亮氨酸的重復(fù)序列(LRR)、具有ATP酶活性的中央核苷酸結(jié)合和寡聚化結(jié)構(gòu)域(NACHT),以及N端招募ASC的pyrin結(jié)構(gòu)域(PYD)三個(gè)結(jié)構(gòu)域[10]。ASC由一個(gè)C端半胱天冬酶募集結(jié)構(gòu)域(CARD)和一個(gè)N端PYD組成。pro-caspase-1由一個(gè)CARD、一個(gè)p20和一個(gè)p10結(jié)構(gòu)域組成[11]。NLRP3炎癥小體激活通常包括兩個(gè)過程:(1)模式識(shí)別受體(pattern-recognition receptors,PRRs)識(shí)別病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMP)以及危險(xiǎn)相關(guān)分子模式(danger-associated molecular pattern,DAMP)并作用于Toll樣受體(toll-like receptor,TLR)促進(jìn)核因子(nuclear factor-κB, NF-κB)入核,誘導(dǎo)NLRP3、pro-caspase-1和IL-1β(pro-IL-1β)轉(zhuǎn)錄及表達(dá);(2)NACHT結(jié)構(gòu)域和LRR之間的內(nèi)部相互作用被消除,導(dǎo)致NACHT結(jié)構(gòu)域暴露,NLRP3寡聚并招募含有ASC、pro-caspase-1的凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白并完成組裝。這種組裝導(dǎo)致pro-caspase-1的自動(dòng)切割,然后介導(dǎo)促炎細(xì)胞因子如IL-1β和IL-18的成熟和分泌,IL-1β是有效的促炎介質(zhì),具有招募炎性細(xì)胞、擴(kuò)大炎癥反應(yīng)的功能,對(duì)炎癥的起始及進(jìn)展具有重要作用[12-15]。此外,caspase-1可以裂解gasdermin D(GSDMD)以產(chǎn)生N端裂解產(chǎn)物(GSDMD-NT),通過形成質(zhì)膜孔來誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡[16](見圖1)。

圖1 NLRP3炎癥小體激活的信號(hào)通路

目前,NLRP3炎癥小體激活的機(jī)制仍然存在爭(zhēng)議,至少有三種模式被廣泛接受:(1)模型假設(shè)孔形成允許細(xì)胞外NLRP3激動(dòng)劑進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)并直接激活NLRP3[17];(2)由溶酶體破裂介導(dǎo)[18];(3)NLRP3激動(dòng)劑觸發(fā)ROS的產(chǎn)生并進(jìn)一步激活NLRP3炎癥小體[19]。其中ROS介導(dǎo)的NLRP3炎癥小體激活在DCM的關(guān)系最為密切[20]。

2 NLRP3與線粒體損傷的關(guān)系

線粒體ROS(mitochondrial ROS,mtROS)是正常線粒體代謝和體內(nèi)平衡的副產(chǎn)物,被認(rèn)為是激活NLRP3炎癥小體和誘發(fā)細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵因素。它的釋放與短暫的線粒體通透性過渡孔(mitochondrial permeability transition pore,mPTP)和內(nèi)膜陰離子通道(inner membrane anion channel,IMAC)活化引起線粒體內(nèi)和線粒體間氧化還原環(huán)境的變化有關(guān)[21]。當(dāng)線粒體功能受損使得ROS的產(chǎn)生和清除失衡時(shí),ROS堆積激活了NLRP3炎癥小體,并且可以引發(fā)一系列炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)[22]。盡管最近的數(shù)據(jù)表明NLRP3炎癥小體的激活與線粒體功能障礙有關(guān),但NLRP3激活劑在引起線粒體損傷方面的功能仍然未知。有研究表明離子通量及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)線粒體功能障礙,包括線粒體基質(zhì)內(nèi)Ca2+的過載可導(dǎo)致mtROS產(chǎn)生增加、線粒體膜電位崩潰和最終線粒體破裂,這被認(rèn)為是NLRP3炎癥小體激活所必需的[23]。與此相反,也有研究指出陽離子運(yùn)動(dòng)和線粒體之間沒有必要相互作用,因?yàn)殡m然mtROS產(chǎn)生和線粒體功能障礙發(fā)生在NLRP3炎癥小體激活期間,但它們的抑制并不能阻止NLRP3炎癥小體活化。相反,驅(qū)動(dòng)NLRP3炎癥小體激活的關(guān)鍵事件可能是鉀外流,盡管其發(fā)生的確切機(jī)制尚不清楚[24]。

關(guān)于NLRP3激活和線粒體損傷之間的因果目前尚存在爭(zhēng)議。有的觀點(diǎn)認(rèn)為,NLRP3的活化導(dǎo)致了線粒體的損傷[25]。王佳慧[26]的研究發(fā)現(xiàn),高糖等損傷誘導(dǎo)mtROS的釋放增加促進(jìn)了NLRP3炎癥小體的產(chǎn)生,NLRP3炎癥小體的活化亦可能加重了線粒體氧化應(yīng)激,抑制NLRP3炎癥小體活化可改善線粒體氧化應(yīng)激,因此NLRP3和mtROS可能存在相互調(diào)控,但是具體的機(jī)制目前尚不完全清晰。

3 NLRP3與DCM

DCM的潛在機(jī)制非常復(fù)雜且很大程度尚不清楚,在本質(zhì)上,細(xì)胞死亡被認(rèn)為是DCM期間心肌細(xì)胞的終末通路。在形態(tài)學(xué)上,細(xì)胞死亡可分為四種不同的形式:凋亡、自噬、壞死和細(xì)胞侵入性死亡,此外還有鐵死亡、溶酶體細(xì)胞死亡、Netotic細(xì)胞死亡等。不同類型的細(xì)胞死亡由不同但重疊的中央通路介導(dǎo)[27]。

細(xì)胞凋亡與DCM的進(jìn)展密切相關(guān),研究表明,Sirtuin 3的缺乏增加小鼠LDH的釋放,降低了ATP水平,線粒體能量缺乏,抑制了線粒體膜電位,導(dǎo)致小鼠細(xì)胞質(zhì)ROS、細(xì)胞色素c水平和caspase-3活性增加,caspase-3在細(xì)胞凋亡的執(zhí)行階段起核心作用[28]。ROS主要通過細(xì)胞色素c流入細(xì)胞質(zhì)并與NLRP3結(jié)合來激活NLRP3炎性小體,環(huán)孢菌素A是細(xì)胞色素c的抑制劑,通過抑制細(xì)胞色素c流入細(xì)胞質(zhì)導(dǎo)致了NLRP3炎性小體的活化受到抑制證實(shí)了這一點(diǎn)[20]。被激活的NLRP3、caspase-3共同促進(jìn)了壞死性凋亡,小鼠心肌細(xì)胞肥大、纖維化和鈣化增加,最終加劇小鼠DCM[29]。

細(xì)胞焦亡是由caspase-1驅(qū)動(dòng)的一種受調(diào)節(jié)的細(xì)胞死亡形式,caspase-1可以裂解GSDMD以產(chǎn)生N端裂解產(chǎn)物GSDMD-NT,GSDMD-NT除了形成gasdermin孔誘導(dǎo)線粒體外膜質(zhì)膜透化外,還通過影響線粒體內(nèi)膜促進(jìn)線粒體DNA從基質(zhì)重新定位到細(xì)胞質(zhì),促進(jìn)線粒體快速塌陷以及線粒體DNA在胞質(zhì)溶膠中的初始積累,然后在質(zhì)膜破裂時(shí)促進(jìn)DNA從細(xì)胞中釋放,并促進(jìn)線粒體DNA作為DAMP釋放[30]。ZENG等[7]的研究發(fā)現(xiàn),多柔比星(doxorubicin,Dox)通過激活動(dòng)力相關(guān)蛋白1 (dynamin-related protein 1,Drp1)增強(qiáng)NOX1和NOX4的表達(dá)并誘導(dǎo)線粒體裂變,使得細(xì)胞內(nèi)ROS增加,通過caspase-1依賴性方式導(dǎo)致NLRP3炎性小體介導(dǎo)的心肌細(xì)胞焦亡。YAN等[31]研究發(fā)現(xiàn),棕櫚酸誘導(dǎo)的脂毒性會(huì)損害線粒體穩(wěn)態(tài),產(chǎn)生過多的mtROS,從而導(dǎo)致線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)發(fā)生氧化損傷,線粒體氧化損傷引起的cGAS-STING通路的激活和游離脂肪酸誘導(dǎo)的mtDNA逃逸以NLRP3炎癥小體依賴的方式促進(jìn)心肌細(xì)胞的焦亡和促炎反應(yīng),從而促進(jìn)DCM進(jìn)程中的心肌肥厚。此外,研究還發(fā)現(xiàn),氯化物細(xì)胞內(nèi)通道(chloride intracellular channel,CLIC)蛋白CLIC1和CLIC4相關(guān)的氯化物外排可驅(qū)動(dòng)NEK7-NLRP3活化,mtROS可以誘導(dǎo)心肌細(xì)胞中CLIC介導(dǎo)的氯化物外流質(zhì)膜易位,氯化物外排,最終導(dǎo)致NLRP3活化[32]。綜上,DCM的進(jìn)展與NLRP3介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡密切相關(guān);mtROS激活NLRP3的途徑并不是唯一的,可能與反應(yīng)底物、環(huán)境及細(xì)胞狀態(tài)等有關(guān)。

與細(xì)胞焦亡、凋亡有所不同,大多數(shù)研究證實(shí)細(xì)胞自噬通過減少ASC、磷酸化NLRP3和清除ROS來抑制NLRP3炎癥小體并減少細(xì)胞焦亡來減輕炎癥損傷[33],盡管也有研究認(rèn)為自噬也促進(jìn)酵母細(xì)胞中的NLRP3炎癥小體[34],特別是過度的自噬時(shí)可導(dǎo)致線粒體功能障礙并活化NLRP3炎癥小體加劇組織損傷[35]。這可能與細(xì)胞狀態(tài)有關(guān),目前其機(jī)制尚不完全清晰。值得注意的是,相較于細(xì)胞凋亡引起的心肌細(xì)胞死亡,細(xì)胞焦亡可能比細(xì)胞凋亡在DCM進(jìn)展中發(fā)揮更重要的作用,研究表明,焦亡心肌細(xì)胞的百分比顯著高于凋亡心肌細(xì)胞的百分比,且焦亡心肌細(xì)胞百分比與心功能不全呈正相關(guān)[7]。

圍繞NLRP3探索DCM治療的研究成果逐年遞增。應(yīng)用廣泛的傳統(tǒng)抗糖尿病藥物二甲雙胍可以激活線粒體復(fù)合物I的AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK),從而通過抑制mTOR途徑改善自噬進(jìn)而抑制NLRP3的活化,減輕DCM中的細(xì)胞焦亡[33]。最近還發(fā)現(xiàn)氫氣與二甲雙胍聯(lián)合應(yīng)用在提高存活率、降低空腹血糖和減少細(xì)胞損傷等方面顯示出更強(qiáng)大的保護(hù)作用[36]。在表觀遺傳學(xué)水平,通過增加調(diào)控基因TINCR基因的m6A甲基化水平,可以下調(diào)lncRNA TINCR來抑制細(xì)胞焦亡和DCM,從而進(jìn)一步降低關(guān)鍵細(xì)胞焦亡相關(guān)蛋白NLRP3的表達(dá)[37]。此外,使用mtROS抑制劑、氯離子通道阻滯劑、細(xì)胞色素c抑制劑、NLRP3炎癥小體抑制劑、NLRP3沉默等治療手段亦可減輕心臟炎癥、纖維化、細(xì)胞肥大和焦亡,并改善體內(nèi)心臟功能[20,32,38]。然而NLRP3的調(diào)控是一個(gè)極其龐大且復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò),各參與調(diào)控的信號(hào)通路間還可能存在串?dāng)_,導(dǎo)致了目前DCM的治療仍不能取得突破性進(jìn)展。此外,細(xì)胞凋亡、壞死、壞死性凋亡、細(xì)胞焦亡、自噬或鐵死亡可能在DCM期間同時(shí)起作用,抑制一種細(xì)胞死亡可能會(huì)促進(jìn)其他類型的細(xì)胞死亡并引起代償,最終增加DCM發(fā)病機(jī)制的復(fù)雜性和治療的難度[39]。

4 小結(jié)

NLRP3炎癥小體激活被證明參與了DCM與許多炎癥相關(guān)疾病的過程。對(duì)DCM的發(fā)生、發(fā)展過程至關(guān)重要的氧化應(yīng)激、炎癥、線粒體損傷以各種方式涉及與NLRP3相關(guān)的途徑。這種廣泛的影響使炎癥小體成為進(jìn)一步研究DCM有希望的對(duì)象和通過NLRP3炎癥小體治療DCM有希望的潛在目標(biāo)。