NLRP1炎症小体及其在中枢神经系统疾病中的作用

周静 王显鹤

摘要：炎症小体是由多种蛋白质组成的复合体，作为炎症通路的重要组成部分，能够调节caspase-1的活化，导致细胞焦亡，刺激促炎细胞因子IL -1β、IL-18的成熟和分泌。NALP1也称NLRP1，是一种炎症小体形成的模式识别受体，当被病原体和损伤相关分子模式激活时，可参与多种炎症反应及细胞焦亡。现研究发现，NLRP1炎症小体在多种中枢神经系统疾病中发挥重要作用，本文将对NLRP1的结构、活化机制、以及在中枢神经系统疾病中的作用进行综述。

关键词：炎症小体;NLRP1;中枢神经系统疾病

中图分类号：R744.5                                文献标识码：A                                  DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2020.23.012

文章编号：1006-1959（2020）23-0038-03

Abstract：Inflammasome is a complex composed of a variety of proteins. As an important part of the inflammatory pathway， it can regulate the activation of caspase-1， cause pyrolysis， and stimulate the maturation and secretion of pro-inflammatory cytokines IL-1β and IL-18 . NALP1， also known as NLRP1， is a pattern recognition receptor formed by inflammasomes. When activated by pathogens and injury-related molecular patterns， it can participate in a variety of inflammatory reactions and pyrolysis. The current study found that NLRP1 inflammasome plays an important role in a variety of central nervous system diseases. This article will review the structure， activation mechanism， and role of NLRP1 in central nervous system disease.

Key words：Inflammasome;NLRP1;Central nervous system disease

中樞神经系统疾病（central nervous system disease）是指因脑和脊髓部位受到损害而引起的疾病。近些年随着人们对中枢神经系统疾病研究的逐步深入，有研究表明炎症在多种疾病的发生和发展过程中起重要作用，包括脑出血、阿尔兹海默病、缺血性脑卒中、癫痫等。炎症小体在炎症反应中处于中枢地位，现已明确NLR家族中的NLRP1、NLRP3、NLRC4与中枢神经系统有关[1]。NLRP1（NACHT leucine-rich-repeat protein 1）作为NLR家族中第一个被发现的成员，主要在脑组织的神经元和小胶质细胞中表达[2]。本文将对NLRP1的结构、组成、活化机制，及在中枢神经系统疾病中的作用作一综述，并探寻治疗中枢神经系统疾病的新思路。

1 NLRP1炎症小体的结构与组成

NLRP1炎性小体是由感受器蛋白NLRP1、接合蛋白ASC和效应蛋白caspase-1前体三部分组成的炎性复合物。NLRP1蛋白主要由N-端PYD结构域、中央-NACHT结构域及富含亮氨酸的LRR结构域组成。其组成在不同哺乳动物中有所差异，在小鼠中NLRP1存在三种旁系，分别为NLRP1a、b、c三型[3]。在人类和大多数灵长类动物中只存在一种NLRP1结构，N端到C端分别为PYD、NACHT、LRRS、FIIND、CARD[4]。PYD结构域只存在于人源性NLRP1中，ASC与N端的PYD结合后，可促进ASC与CARD结构上的caspase-1前体结合[5]。LRRS结构域有抑制功能，其与NACHT结合，可抑制自身寡聚化，使炎症小体处于无活性状态[3]。FIIND结构域在NLRP1-ASC结合和NLRP1炎症小体的形成中都起到了重要作用。FIIDN可自溶解形成两个多肽，促使C-端的CARD与ASC连接，形成ASC依赖性炎性体[6]。CARD主要与caspase-1前体连接，当机体受到刺激时，寡聚化的caspase-1前体自身磷酸化，裂解成具有活性的异二聚体，进而裂解IL-18、IL-1β前体，转化为活性形式，促发炎症反应。

2 NLRP1 炎症小体的活化机制

研究显示[7，8]，细菌的胞壁酰二肽（MDP）、炭疽致死毒素（LT）以及寄生虫等可激活NLRP1炎性小体复合物。当受到微生物以及体内的危险信号刺激时，可引起细胞外基质中ATP的大量积聚，或激活非选择性离子通道，导致大量的钾离子外流和钙离子内流，引起细胞膜内外钙-钾离子分布的不平衡，引起P2X7受体的激活。同时P2X7受体的激活及细胞外高钾可激活泛连接蛋白-1[2]。P2X7及泛连接蛋白-1是激活NLRP1必要条件，当接收到信号时，NLRP1蛋白中的FIIND结构域自身蛋白水解，形成两种非共价结合多肽：NBD-LRR-ZU5和UPA-CARD[9]。NBD-LRR-ZU5可引起NLRP1 N-端裂解，使NLRP1空间结构发生改变。UPA-CARD可通过自组装，形成一个caspase-1招募和激活平台，活化caspase-1[10]。集聚活化的caspase-1，进而裂解IL-1β（interleukin）、IL-18前体转化为其活性形式，诱发剧烈炎症反应[3]。

3 NLRP1与神经系统疾病

3.1 NLRP1与脑出血  脑出血是脑卒中的一种破坏性亚型，死亡率和发病率约占所有卒中病例的10%～15%[11]。早期的出血量及血肿的扩大是导致原发性脑损伤的关键因素，越来越多的研究结果表明，炎性反应在脑出血继发脑损害过程中起到关键作用，炎症小体在脑出血后脑损伤中可导致脑水肿、血脑屏障的破坏和神经细胞的死亡[12]。近期有研究表明，在小鼠脑出血模型中NLRP1炎症小体的表达呈时间依赖性升高，于12 h开始增加，72 h达高峰，给予其选择性的受体拮抗剂可以降低炎症反应，改善小鼠脑出血模型轴向感觉、本体感觉、肢体运动对称性、侧向转弯、前肢行走及爬行等功能[13]，说明NLRP1在脑出血损伤过程中，发挥重要作用，调控NLRP1炎症小体的活化水平或许可以成为一种治疗方法，但仍需进一步研究。

3.2 NLRP1与阿尔兹海默病  阿尔茨海默病（AD）是一种进行性、不可逆的神经退行性疾病，逐渐损害患者的记忆和认知功能，是导致痴呆最常见的原因之一，约占总病例的60%～80%[14]。主要病理改变是老年斑（主要由淀粉样蛋白-β肽组成）和神经原纤维缠结[15]。研究表明，Aβ的神经毒性作用可导致P2X7受体的过度表达，细胞非选择性离子通道开放，包括钾离子的外流和钙离子的内，更重要的是Orellana的研究发现，由此导致的K+/Ca2+的不平衡可激活神经元内包括NLRP 1在内的炎症小体，促进NLRP1的高表达，激活caspase-1，使IL-1β的分泌增多[16]。由NLRP1激活的caspase-1，可增加AD细胞焦亡和认知障碍的效果。在AD小鼠模型中，通过抑制NLRP1的表达，可减弱神经元性细胞焦亡[17]。也有研究显示[18]，与非AD患者相比，AD患者神经元内NLRP1免疫活性大约增加25～30倍。由此可知NLRP1炎性小体的确参与了AD的炎症反应。因此，调控NLRP1的 表达或将成为治疗及预防AD的重要靶点。

3.3 NLRP1与缺血性脑卒中  脑卒中是全球导致死亡的第2大原因，也是导致永久性残疾的主要原因。脑卒中后神经元变形引起的细胞及分子变化机制极其复杂。主要涉及生物能量衰竭、酸中毒、兴奋性毒性、氧化应激及炎症反应[19，20]。最新研究报道，核苷酸结合寡聚结构域（NOD）样受体（NLR）含吲结构域（NLRP）在缺血性卒中患者炎症反应过程中起着重要作用。在卒中的研究中，观察到NLRP1炎症小体通过提高促细胞活化因子的水平引起神經元细胞死亡并导致行为障碍[21]。使用抗NLRP1抗体，可降低脑缺血后小鼠脑内成熟IL-1β和IL-18的表达，减少脑组织梗死面积[22]。此外，也有研究表明[23]，使用免疫球蛋白，可减少缺血模型脑组织内NLRP1炎症小体的表达，从而减轻神经元及脑组织的缺血损伤，由此说明活化的NLRP1炎症小体可导致了神经元和胶质细胞的死亡。因此，进一步研究抑制NLRP1炎症小体活化的途径，可为脑卒中患者的治疗提供新的思路。

3.4 NLRP1与癫痫  癫痫是一种严重、慢性的神经系统综合征，病理特征主要为海马及边缘系统神经元细胞的有选择性缺失及苔状纤维出芽[24]。炎症小体信号通路激活可引起神经功能紊乱，许雪梅等研究发现[25]，在戊四氮致癫痫大鼠的海马区NLRP1炎症小体蛋白表达水平升高，给予左乙拉西坦治疗后，可降低NLRP1炎症小体的表达。Tan等[26]研究证实在难治性内侧颞叶癫痫患者脑内NLRP1炎症小体的表达上调，而通过渗透泵介导的非病毒载体Si RNA，可降低大鼠脑内NLRP1炎症小体水平，减轻神经元细胞焦亡。因此进一步研究其激活机制和调控机制，可为癫痫的治疗提供新的方向。

4 Caspase-1 与中枢神经系统疾病

Caspase-1作为NLR家族的中间产物，其激活裂解Pro-IL-1β、Pro-IL-18转化为IL-1β、IL-18。caspase-1抑制剂Vx-765是一种有效的，选择性的小分子抑制剂，在各种疾病中起抗炎作用，现研究表明，通过给予vx-765抑制caspase-1减少小胶质细胞的活化，减轻缺血性卒中后小鼠的脑损伤，减少脑组织梗死体积和神经功能[27]。高氧可引起早产儿慢性肺部疾病支气管肺发育不良（BPD）和脑损伤，caspase-1抑制剂促进高氧暴露大脑的颗粒下区域和脑室下区域的细胞增殖，从而减少了这些区域的萎缩[28]。Caspase-1抑制亦可减轻阿尔茨海默氏病小鼠模型的认知障碍和神经病理[29]。由此可以证明炎症小体在中枢神经系统疾病中起这至关重要的作用，抑制caspase-1可明显减轻脑损伤，改善认知障碍，因此进一步研究可为中枢神经系统疾病的治疗提供新的思路。

5总结

NLRP1炎症小体在多种中枢神经系统疾病中发挥着重要作用，现阶段主要集中在动物实验。虽然啮齿类动物和人类之间的NLRP1基因存在一定差异，但动物模型是建立NLRP1生物学的基础，更有助于了解NLRP1在人类中枢神经系统疾病中所扮演的重要角色。现NLRP1炎性小体的发病机制逐渐明朗，若能够有效抑制NLRP1炎性小体的活化，并阻断其相关炎症因子的激活，可为中枢神经系统疾病的治疗提供新的方向。

参考文献：

[1]Walsh JG，Muruve DA，Power C.Inflammasomes in the CNS[J].Nat Rev Neurosci，2014，15（2）：84-97.

[2]de Rivero Vaccari JP，Dietrich WD，Keane RW.Activation and regulation of cellular inflammasomes：gaps in our knowledge for central nervous system injury[J].J Cereb Blood Flow Metab，2014，34（3）：369-375.

[3]Chavarría-Smith J，Vance RE.The NLRP1 inflammasomes[J].Immunol Rev，2015，265（1）：22-34.

[4]Tupik JD，Nagai-Singer MA，Allen IC.To protect or adversely affect？The dichotomous role of the NLRP1 inflammasome in human disease[J].Mol Aspects Med，2020（28）：100858.

[5]Jin T，Curry J，Smith P，et al.Structure of the NLRP1 caspase recruitment domain suggests potential mechanisms for its association with procaspase-1[J].Proteins，2013，81（7）：1266-1270.

[6]Yu CH，Moecking J，Geyer M，et al.Mechanisms of NLRP1-Mediated Autoinflammatory Disease in Humans and Mice[J].J Mol Biol，2018，430（2）：142-152.

[7]Martino L，Holland L，Christodoulou E，et al.The Biophysical Characterisation and SAXS Analysis of Human NLRP1 Uncover a New Level of Complexity of NLR Proteins[J].PLoS One，2016，11（10）：e0164662.

[8]Greaney AJ，Portley MK，O'Mard D，et al.Frontline Science：Anthrax lethal toxin-induced，NLRP1-mediated IL-1β release is a neutrophil and PAD4-dependent event[J].J Leukoc Biol，2020 May 18.Epub ahead of print.

[9]Neiman-Zenevich J，Liao KC，Mogridge J.Distinct regions ofNLRP1B are required to respond to anthrax lethal toxin andmetabolic inhibition[J].Infect Immun，2014，82（9）：3697-3703.

[10]Sandstrom A，Mitchell PS，Goers L，et al.Functional degradation： a mechanism of NLRP1inflammasome activation by diverse pathogen enzymes[J].Science，2019，364（6435）：eaau1330.

[11]Wang Z，Zhou F，Dou Y，et al.Melatonin alleviates intracerebral hemorrhage-induced secondarybrain injury in rats via suppressing apoptosis， inflammation，oxidative stress，DNA damage，and mitochondria injury[J].Transl Stroke Res，2018，9（1）：74-91.

[12]Nadeau CA，Dietrich K，Wilkinson CM，et al.Prolonged Blood-Brain Barrier Injury Occurs After Experimental Intracerebral Hemorrhage and Is Not Acutely Associated with Additional Bleeding[J].Transl Stroke Res，2019，10（3）：287-297.

[13]Chen S，Zuo Y，Huang L，et al.The MC4receptor agonist RO27-3225 inhibits NLRP1-dependent neuronal pyroptosis via the ASK1/JNK/p38 MAPK pathway in a mouse model of intracerebral haemorrhage[J].Br J Pharmacol，2019，176（9）：1341-1356.

[14]Alzheimer's Association.Alzheimer's disease facts and figures[J].Alzheimers Dement，2017，13（4）：325-373.

[15]Polanco JC，Li C，Bodea LG，et al.Amyloid-β and tau complexity-towards improved biomarkers and targeted therapies[J].Nat Rev Neurol，2018，14（1）：22-39.

[16]Yaron JR，Gangaraju S，Rao MY，et al.K+ regulates Ca2+ to drive inflammasome signaling：dy-namic visualization of ion flux in live cells[J].Cell Death Dis，2015，26（10）：e1954.

[17]Tan MS，Tan L，Jiang T，et al.Amyloid-β induces NLRP1-dependent neuronal pyroptosis in models of Alzheimer's disease[J].Cell Death Dis，2014，5（8）：e1382.

[18]Kaushal V，Dye R，Pakavathkumar P，et al.Neuronal NLRP1 inflammasome activation ofCaspase-1 coordinately regulates inflammatory interleukin-1-beta production and axonal degeneration-associated Caspase-6 ac-tivation[J].Cell Death Differ，2015，22（10）：1676-1686.

[19]Broughton BR，Reutens DC，Sobey CG.Apoptotic mechanisms after cerebral ischemia[J].Stroke，2009，40（5）：e331-e339.

[20]Tseng N，Lambie SC，Huynh CQ，et al.Mitochondrial transfer from mesenchymal stem cells improves neuronal metabolism after oxidant injury in vitro：The role of Miro1[J].J Cereb Blood Flow Metab，2020 Jun 5：271678X20928147.Epub ahead of print.

[21]Fann DY，Lim YA，Cheng YL，et al.Evidence that NF-κB and MAPK Signaling Promotes NLRP Inflammasome Activation in Neurons Following Ischemic Stroke[J].Mol Neurobiol，2018，55（2）：1082-1096.

[22]Yuze C，Huixue Z，Xiaoyu L，et al.Overexpression of MicroRNA-9a-5p Ameliorates NLRP1 Inflammasome-mediated Ischemic Injury in Rats Following Ischemic Stroke[J].Neuroscience，2020（444）：106-117.

[23]Fann DY，Lee SY，Manzanero S，et al.Intravenous immunoglobulin suppresses NLRP1 and573NLRP3 in flammasome-mediated neuronal death in ischemic574stroke[J].Cell Death Dis，2013，4（9）：e790.

[24]Dericioglu N，Soylemezoglu F，Gursoy-Ozdemir Y，et al.Cell death and survival mechanisms are concomitantly active in thehippocampus of patients with mesial temporal sclerosis[J].Neuroscience，2013（237）：56-65.

[25]許雪梅，赵元琛，张宏宇.左乙拉西坦对戊四氮致癫痫大鼠海马神经元的保护作用及NLRP1、Caspase-1和ASC蛋白的影响[J].中国药师，2019，22（5）：835-840.

[26]Tan CC，Zhang JG，Tan MS，et al.NLRP1 inflammasome is activated in patients with medial temporal lobe epilepsy and contributes to neuronal pyroptosis in amygdala kindling-induced rat model[J].J Neuroinflammation，2015（12）：18.

[27]Li Q，Dai Z，Cao Y，et al.Caspase-1 inhibition mediates neuroprotection in experimental stroke by polarizing M2 microglia/macrophage and suppressing NF-κB activation[J].Biochem Biophys Res Commun，2019，513（2）：479-485.

[28]Dapaah-Siakwan F，Zambrano R，Luo S，et al.Caspase-1 Inhibition Attenuates Hyperoxia-induced Lung and Brain Injury in Neonatal Mice[J].Am J Respir Cell Mol Biol，2019，61（3）：341-354.

[29]Flores J，Noel A，Foveau B，et al.Caspase-1 inhibition alleviates cognitive impairment and neuropathology in an Alzheimer's disease mouse model[J].Nat Commun，2018，9（1）：3916.

收稿日期：2020-07-31;修回日期：2020-08-31

编辑/肖婷婷