内质网线粒体结构偶联在NLRP3炎症小体形成与活化中的作用及机制研究进展

董树安，余剑波

内质网和线粒体之间通过动态稳定结构内质网线粒体结构偶联（endoplasmic reticulum–mitochondria contacts，ERMC）紧密联系在一起。ERMC在不同的信号通路中发挥着重要作用，为内质网和线粒体相互作用和维持细胞的正常功能提供了一个较好的结构平台。ERMC异常可导致机体出现多种病生理状态，引起线粒体钙超载、调节炎症反应等。炎症小体与其他炎症因子能够促进前炎细胞因子的释放。近年有学者发现线粒体钙超载能够产生的过量ROS，从而引起NLRP3炎症小体大量活化，促进炎症因子的释放[1]。

1 NLRP3炎症小体的形成和活化

炎症小体是由多种蛋白分子组成的一种复合物，其主要组成包括传感器蛋白、衔接蛋白和前半胱天冬酶-1[2]。炎症小体中的这些传感器分子可以感知不同类型的刺激，包括病原体相关分子模式、损伤相关分子模式和其他的胞质可能发生的任何损伤。炎症小体一旦活化，可促使半胱天冬氨酸蛋白酶-1活化，进而使白介素1β（interleukin 1 beta，IL-1β）、IL-18由前体形式变为活性形式[2]。

NLRP3炎症小体的活化分为两个步骤：首先，Toll样受体与其相对应的配体结合后，激活细胞内信号通路，导致核转录因子κB活化，由此促进NLRP3和IL-1β前体的转录和翻译水平；其次，NLRP3与接头蛋白ASC、前半胱天冬酶-1（pro-caspase 1）组装成为NLRP3炎性小体，进而将前半胱天冬酶-1剪切为Caspase-1。研究发现，嘌呤类受体P2X7的活化[3]、溶酶体的破裂和线粒体功能异常内生成的ROS均能促进炎症小体的组装过程，炎症小体组装的过程常伴随着细胞内K+的外流[4-5]。Lee等通过增加细胞内Ca2+浓度，降低细胞内环磷酸腺苷的方法研究钙敏感受体在介导NLRP3炎症小体活化过程中作用 ，结果发现细胞内的Ca2+直接与NLRP3炎症小体结合，正向调控NLRP3炎症小体的组装和活化，而环磷酸腺苷起到负调控作用[6]。还有学者则采用将内质网内的Ca2+持续转移到线粒体内，造成线粒体Ca2+超载和线粒体功能失衡， 结果发现线粒体Ca2+超载主要通过促进线粒体内心磷脂和线粒体DNA的释放，来促进NLRP3的活化[7-8]。

在炎症小体形成过程中，微管蛋白能够将线粒体向核周迁移，促进线粒体上的凋亡相关斑点样蛋白与内质网上NLRP3组装在一起[9]。在非活性状态下，NLRP3主要定位于内质网膜上和细胞质中，但当处于激活状态时，NLRP3和接头蛋白ASC则都会重新定位到ERMC中，使更容易感知受损线粒体释放的心磷脂和线粒体DNA，进而活化。

2 ERMC

ERMC是连接内质网和线粒体的动态结构。其基本成分包括位于内质网或线粒体外膜上的Ca2+离子通道[三磷酸肌醇受体(inositol 1,4,5-triphate receptor, IP3R)、电压依赖性阴离子通道(voltage-dependent anion channel, VDAC)][10]、脂质生物合成途径的酶和脂质转移蛋白[11]、各种分子伴侣蛋白、钙连蛋白和Sigma-1受体[10,12-13]。酶类包括参与内质网氧化还原酶-1α[14]。蛋白激酶包括如蛋白激酶R样内质网激酶[15]、调节线粒体形态的线粒体融合蛋白2[16]。除此之外，ERMC可以根据细胞功能需要招募多种信号分子，如参与炎症信号通路的NLRP3[1]，参与细胞凋亡信号通路的蛋白分子如前髓细胞性白血病蛋白、肿瘤抑制基因[17]，自噬信号通路自噬蛋白14L[18]，参与抗病毒反应的线粒体抗病毒信号蛋白（mitochondrial antiviral-signaling protein,MAVS）[19]，视黄酸诱导基因蛋白I等[20]。

3 ERMC与NLRP3炎症小体形成

在目前已知的炎症小体中，NLRP3与多种人类疾病发病机制相关[21]，是研究最多、最具代表性的是炎症小体是，也是迄今为止发现的唯一一个与ERMC有联系的炎症小体[1]。

NLRP3在大多数组织中都有表达，但主要表达在巨噬细胞中[1]。在非活性状态下，NLRP3主要定位于内质网膜上和细胞质中，但当处于激活状态时，NLRP3和凋亡相关斑点样蛋白则都会重新定位到ERMC中[22]，促进受损线粒体释放的各类因子（如ROS）活化NLRP3炎症小体[1]，研究表明，呼吸链抑制剂（如复合物I抑制剂鱼藤酮）线粒体膜电位的降低和线粒体内ROS生成量的增加，从而促进炎症小体的活化。NLRP3激活过程伴随着内质网和线粒体之间的重新定位，这样更有利于NLRP3炎症小体感知线粒体内的损伤信号[1]。

4 ERMC促进NLRP3炎症小体的活化

ERMC中有NLRP3炎症小体适度活化的必需分子。作为ERMC的一个重要组成分子，MAVS其下游的信号通路对于机体抗病毒至关重要[23-24]。Subramanian等[25]的研究发现，MAVS与NLRP3的N末端氨基酸序列连接，促进NLRP3炎症小体向线粒体的募集和IL-1β 的生成。

另一个NLRP3结合分子硫氧还蛋白相互作用蛋白（thioredoxin interacting protein，TXNIP）在细胞处于氧化应激状态下或NLRP3炎症小体激活情况下，能够重新分布于ERMC上[26-27]。正常情况下，TXNIP主要与细胞内抗氧化蛋白硫氧还蛋白（thioredoxin，TRX）结合，而不与NLRP3相结合。但当在炎症小体激活剂（如尿酸晶体）作用下，细胞处于应激状态下，TRX发生氧化反应，TXNIP-TRX复合物解离，TXNIP与NLRP3结合并转移到ERMC 中[28-30]。

此外，钙离子信号通路在NLRP3炎症小体活化过程中发挥重要作用，内质网是细胞内主要钙离子储存细胞器，通过给予IP3R受体抑制剂或shRNA能够减轻有其他刺激物引起的NLRP3炎症小体活化[5]，而IP3R正是ERMC的组成分子之一；另外，其他ERMC组成分子也参与NLRP3炎症小体活化过程中[31]，线粒体钙超载受ERMC组成分子VDAC的精确调控。研究发现，敲除人单核细胞系VDAC基因能够减低NLRP3激活剂引起的细胞内ROS和IL-1β的生成量，由此我们可以看出ERMC在NLRP3炎症小体活化的过程中发挥重要作用，通过调节ERMC组成分子的表达水平能够影响NLRP3炎症小体活化水平[1]。

5 结语与展望

虽然有大量研究支持线粒体功能紊乱和ROS参与炎症小体组装和激活密切相关，但其激活NLRP3炎症小体的机制仍不明确[24]。而目前许多研究多集中在其他炎症小体的活化信号途径和激活机制，D’Osualdo等研究发现，当细胞处于内质网应激下，NLRP1的表达特异性上调，上述结果提示其可能与ERMC有关[32],但具体作用机制仍需要我们进行进一步探索。