线粒体相关的NLRP3炎性体激活

线粒体相关的NLRP3炎性体激活

曾俊莉1吴冠楠2宋勇1

作者单位： 210002 南京军区南京总院呼吸科，南方医科大学研究生院1

210002 南京军区南京总医院呼吸科，南京大学医学院2

【关键词】NLRP3炎性体；线粒体；急性肺损伤

炎性体自发现以来，其在炎症反应中的作用就备受关注。NRLP3炎性体是目前研究最多的炎性体，其激活不仅启动免疫反应防御微生物感染，而且还参与包括急性肺损伤在内多种疾病的发生和发展。大量研究表明，线粒体代谢、线粒体自噬和凋亡、线粒体DNA释放等都与NRLP3炎性体的调节相关，可见线粒体在NLRP3炎性体的激活中发挥着重要作用。现就线粒体相关的NLRP3炎性体激活进行综述。

一、NLRP3炎性体的激活

炎性体是在病原微生物或宿主损伤信号刺激下形成的多蛋白复合物，它激活半胱天冬酶1 (cysteinyl aspartate specific protease 1, caspase-1)，促进白介素1 β (interleukin-1β, IL-1β)和IL-18的成熟，进而诱发炎症反应[1]。胞浆模式识别受体(pattern recognition receptors, PRRs)感受病原相关分子模式( pathogen associated molecular patterns, PAMPs)和损伤相关分子模式(damage associated molecular patterns, DAMPS)，促进炎性复合物的形成。NOD样受体(nucleotide binding oligomerization domain-like receptors, NLRs)是近来发现的一类PRRs，其家族中的六个成员(NLRP1, NLRP3, NLRP6, NLRP7, NLRP12, NLRC4)已被证实可组成炎性体。此外，HIN-200家族成员AIM2也可以特异识别和结合双链DNA而形成炎性体。在众多的炎性体中，NRLP3炎性体的刺激物最广、研究得也最深入。它既参与人体保护性免疫，又与多种疾病的发生相关[2]。

由于NLRP3在病理生理中的重要作用，使其激活机制成为研究的热点。现已发现多种结构性质迥异的内外源性刺激物都能够激活NLRP3炎性体。这些信号可能汇聚在一条通路上而间接地触发NLRP3炎性体的激活。这条共同通路主要包括：①离子平衡失调，钾离子外流，钙离子内流，导致细胞膜上缝隙连接蛋白1小孔开放，刺激物进入细胞内；②溶酶体破裂，组织蛋白酶B释放到胞浆中，介导NLRP3炎性小体激活；③线粒体ROS，作为NLRP3炎性体激活的共同信号[3]。这一机制的提出也让学者们更多的关注到线粒体在NLRP3炎性体激活中的作用。

二、线粒体和NLRP3炎性体激活

线粒体在能量生成和细胞凋亡中都扮演着重要角色。此外，线粒体外膜上的关键衔接蛋白-线粒体抗病毒信号(mitochondrial anti-viral signaling, MAVS) 还可以直接参与固有免疫系统的信号转导过程[4]。近年来，关于线粒体和炎性体的研究也越来越多。这些研究发现线粒体代谢、稳态改变、自噬、凋亡等都与NLRP3炎性体的激活相关。与线粒体相关的NLRP3炎性体激活可能有以下几种机制。

1. 线粒体代谢和NLRP3的激活: 近年来，活性氧(reactive oxygen species, ROS)被认为是NLRP3炎性体激活调控的中心。关于参与炎性体作用的ROS，目前较为认可的是线粒体来源的，即线粒体ROS(mitochondrial reactive oxygen species, mtROS)[6-8]。尽管有研究表明，NADPH氧化也产生ROS，但它是否参与炎性体相关炎症反应还存在争议[9-11]。在各种NLRP3激动剂的刺激下，mtROS生成增加，引起NLRP3炎性体形成并促进炎性介质的释放。通过线粒体复合物Ⅰ抑制剂鱼藤酮增加mtROS的产生而促进NLRP3炎性体的激活[7]，以及ROS抑制剂清除ROS导致的炎性体活性抑制，均显示mtROS在NLRP3炎性体激活中起作用[9, 12]。Zhou等[13]发现在ROS反应中硫氧还蛋白可以直接结合到NLRP3上，进一步阐明了ROS的产生和炎性复合体激活之间的联系。但一些研究却发现mtROS诱导药物不能促进NLRP3炎性体活性增强，提示仅仅mtROS并不足以促发NLRP3激活，这很可能还与胞内微环境复杂变化相关[14]。

尽管mtROS在炎性体激活中发挥重要作用，但是ROS的寿命短，只能作为短距离信使传递刺激信号激活NLRP3。因此，NLRP3的理想位置就是邻近线粒体，才能高效的感受线粒体产生的ROS[15]。共聚焦显微镜下观察THP1细胞时发现，在未接受刺激时，大部分NLRP3定位在内质网，而线粒体内含量极少。当尿酸钠晶体、铝、细菌等刺激后，NLRP3重新分布于内质网和线粒体，并与ASC、caspase-1共同形成功能炎性体。MAVS是近来发现的能促进NLRP3向线粒体膜移位的线粒体相关衔接蛋白，它能与NLRP3的氮端残基2-7起反应，使NLRP3炎性体向线粒体聚集，促进炎性体的形成和激活[16]。这种由MAVs介导的NLRP3线粒体重新定位有利于感受ROS传递的信号，继而形成炎性体并促进炎症反应。

与MAVs一样，VDAC也是线粒体外膜的蛋白，而且它还是线粒体及包括内质网在内其他细胞器进行代谢和离子交换的主要通道。VDAC的三种基因亚型是线粒体代谢活性的重要调节子，并且VDAC还特异的与NLRP3的炎症作用相关[17]。研究发现，VDAC1缺乏的小鼠在受到NLRP3刺激物作用后，mtROS生成显著下降。VDAC1、VDAC2缺乏的细胞都表现出caspase-1激活和IL-1分泌受损[8]。这些研究表明VDAC通过影响mtROS的生成而调节NRLP3炎性体的激活。

VDAC作为离子交换的通道，实现了钙离子(calcium ion, Ca2+)的流动，而Ca2+从线粒体相关内质网膜到线粒体的过程促进NLRP3的激活。Murakami等[18]的研究表明NLRP3刺激物可诱导Ca2+流，而抑制Ca2+流或减少内质网Ca2+储备都不利于NLRP3的激活。Ca2+流主要是通过影响线粒体的代谢而调节NLRP3的激活。但是对于Ca2+流到底是发生在mtROS生成的上游还是下游仍存在争议。一种观点认为Ca2+流依赖于NLRP3刺激物诱导的mtROS生成；[19]而另一种观点则认为，细胞受刺激后形成的Ca2+流诱发线粒体功能失调和ROS产生[18]。其实，这两种形式可能却同时存在，即胞内Ca2+水平增加促发线粒体损伤和mtROS产生，而mtROS又可以促进Ca2+流，这样相互作用进一步促进了NLRP3的激活。此外，在Ca2+流通路上的信号介质磷脂酶C(phospholipase C, PLC )和钙敏感受体(calcium-sensing receptor, CASR)也参与Ca2+相关的致炎机制[18]。此外，尽管循环AMP ( cyclic AMP, cAMP)在Ca2+相关的NLRP3激活通路中的作用也多次被提出，但目前看法仍不统一[20-21]。

综上，在NLRP3激活剂作用下，Ca2+通过VDAC通道形成Ca2+流促进mtROS生成，进而启动NLRP3和IL-1β前体的转录，而在MAVs帮助下，NLRP3向线粒体相关内质网移位，并与聚集于线粒体的ASC、caspase-1结合组成NLRP3炎性体，最终释放炎症介质促发炎症反应。

2. 线粒体相关细胞死亡与NLRP3激活

(1)线粒体自噬和NLRP3的激活: 线粒体对胞内压力变化以及线粒体膜对去极化敏感，这些改变均可引起ROS释放、ATP生成减少及线粒体通透性转换孔的开放。线粒体膜通透性改变(mitochondrial membrane permeabilization, MMP)是线粒体损伤的标志，它促使包括细胞色素C，mtDNA等线粒体内容物释放，释放入胞浆的mtDNA作为DAMPs，直接结合并活化NLRP3炎性体[22-23]。而线粒体自噬(mitophagy)则可以清除mtROS等NLRP3激活信号，避免MMP的发生,维持细胞稳态[24]。近年来通过诱导和抑制线粒体自噬正反两面证明了mitophagy在NLRP3炎性体中的作用。Lupfer等[25]用实验证实了mitophage可限制病毒诱发NLRP3病理性激活IL-1β；而mitophagy抑制剂3-甲基腺嘌(3-MA)，可增加mtROS浓度介导的NLRP3炎性体激活[8]。另外，mitophagy作用在分子生物研究中也得到进一步验证。敲除哺乳动物关键自噬基因Atg16L1抑制自噬后，可检测到NLRP3炎性体的激活[26]。同样，敲除其他自噬相关基因，如巨噬细胞的相关自噬基因，也能观察到NLRP3炎性体的激活[27]。

(2)凋亡和NLPR3的激活: 凋亡是通过激活胞内一系列caspase引起细胞死亡的一种模式。作为细胞死亡的方式，凋亡在NLRP3炎性体激活中的作用却与自噬截然不同。线粒体能感受胞内压力，直至线粒体内的Bax、Bak低聚物孔形成，线粒体膜完整性被破坏，激活caspase-9执行凋亡。Shimada等[22]建立关于不同结构物质激活NLRP3的模型，并推测这些刺激物是通过诱导线粒体凋亡释放氧化损伤的线粒体DNA(mtDNA)进入胞浆与NLRP3结合，进而发生级联反应，诱导NLRP3炎性体的激活和caspase-1的生成。

抗凋亡蛋白Bcl-2对NLRP3炎性体激活的负调节作用，也是凋亡激活NLRP3炎性体的有力证据。ATP作为NLRP3强刺激物，它对NLRP3炎性体的激活作用也受到Bcl-2的调节。检测用ATP分别刺激的Bcl-2缺乏和野生型的巨噬细胞，发现前者NLRP3炎性体和IL-1β的分泌明显较后者多。此外，多种NLRP3激活剂作用于Bcl-2过表达细胞都可引起IL-1β释放的减少[8, 22]。而且前面述及的VDAC活性也受到Bcl-2 家族成员调节，过表达Bcl-2导致部分VDAC关闭使得ROS的生成减少，导致炎性体激活受阻[17]。

尽管大部分研究都支持凋亡激活NLRP3的观点，但仍有部分研究提出相悖的观点[28]。因此，关于凋亡对NLRP3炎性体激活的调控还需要更深入的研究。

三、急性肺损伤和NLRP3炎性体激活

急性肺损伤(acute lung injury，ALI)发病的核心机制是全身炎症反应综合征，但我们对其分子机制却知之甚少，而且目前尚无针对该炎症网络的有效治疗措施。基于NLRP3炎性体诱导炎症反应的作用，研究者们从实验室到临床水平对NLRP3 炎性体在ALI中的作用进行了研究。通过研究有几个方面的重要发现：NALP3炎性体能诱导ALI 病程中肺泡上皮通透性的增加[29]；多种因素通过NALP3炎性体诱导ALI 病程中细胞因子的产生[30-31]；临床水平NLRP3炎性体复合物及其下游的细胞因子与ALI/ARDS发生发展相关联[32]。这些发现表明了NLRP3炎性体在ALI中的重要作用。那么，通过线粒体调控NLRP3炎性体是否可以成为ALI治疗的新方向呢？未来更多的基础和临床研究将进行解答。

NLRP3在刺激物作用下聚集组装并最终形成具有活性的炎性体，参与包括炎症反应，固有免疫应答，以及多种疾病的发生。尽管有关线粒体在NLRP3炎性体激活中的作用受到诸多关注并且有了一定的认识，但还存在许多亟待解决的问题。未来需开展更多更深入的研究，才能有望找到包括ALI在内的NLRP3炎性体相关疾病的突破口。

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(本文编辑：黄红稷)

曾俊莉，吴冠楠，宋勇. 线粒体相关的NLRP3炎性体激活[J/CD]. 中华肺部疾病杂志： 电子版， 2015， 8(3)： 360-362.

·综述·

收稿日期：(2014-10-18)

文献标识码：中图法分类号： R563 A

通讯作者：宋勇，Email: yongsong6310@yahoo.com

基金项目：国家自然科学基金(81170064；81370172)

DOI：10.3877/cma.j.issn.1674-6902.2015.03.025