线粒体调节NLRP3炎性体活化的研究进展①

李露茜 邓小明（海军军医大学长海医院麻醉学部，上海200433）

炎性体是由NOD样受体家族（NOD like recep‐tors，NLRs）参与组装的位于胞内的一类多蛋白复合物。作为固有免疫系统的重要组成部分，炎性体在免疫和疾病发生发展过程中发挥重要作用。炎性体主要分为4种类型：NLRP1、NLRP3、NLRC4和AIM2（absent in melanoma 2），目前对NLRP3炎性体的研究最为透彻。NLRP3炎性体的过度活化与多种炎症性疾病相关，如痛风、动脉粥样硬化、糖尿病、肥胖、阿尔兹海默症、炎症性肠病、恶性肿瘤、感染等［1-2］。明确NLRP3炎性体的激活机制，对于治疗NLRP3炎性体相关疾病尤为重要。

线粒体是真核细胞胞浆中由双层磷脂膜包被的细胞器，线粒体膜与膜间腔内含有大量参与细胞代谢的酶以及少量线粒体DNA。线粒体是细胞的能量工厂，通过氧化磷酸化生成ATP，为细胞提供代谢、生长所需的能量，近年来，越来越多的研究发现，线粒体在细胞中发挥的作用远不限于此。线粒体可以调节免疫细胞对感染和组织损伤的反应，介导炎症信号传导［3］。

本文综述了线粒体调节NLRP3炎性体活化机制的最新进展，以期为临床治疗相关疾病提供新的靶标和思路。

1 NLRP3结构特点

NLRP3炎性体主要位于细胞胞浆，其主要结构包括3部分：核心蛋白NLRP3、转接蛋白凋亡斑点蛋白（apoptotic speck protein containing a CARD，ASC）和效应蛋白半胱氨酸天冬氨酸特异蛋白1（caspase-1）。NLRP3由氨基末端的吡啶结构域（pyrin domain，PYD）、中央的NACHT结构域（do‐main present in NAIP，CIITA，HET-E and TP1）和羧基末端的富亮氨酸重复序列（leucine-rich repeat，LRR）结构域3部分构成，其中NACHT结构域具有ATPase活性，介导NLRP3的聚合，LRR结构域通过折叠、结合NACHT结构域从而抑制NACHT发挥作用［4］。ASC由氨基末端的PYD和羧基末端的胱天蛋白酶募集结构域（caspase-activating and recruitment domain，CARD）组成。caspase 1包含氨基末端的CARD，中间的大催化结构域（p20）和羧基末端的小催化亚基结构域（p10）三个结构域。炎性体活化信号刺激细胞后，NLRP3通过NACHT相互连接，寡聚的NLRP3通过PYD-PYD相互作用募集ASC［5］，ASC再通过CARD-CARD相互作用募集pro-caspase 1。pro-caspase 1结合ASC后，p20和p10之间自我裂解，生成p33（包含CARD和p20）和p10的复合物，该复合物仍与ASC结合，此时蛋白酶解活性最强。而后CARD和p20之间裂解，释放出p20-p10，并从ASC上解离，失去蛋白酶活性［6］。NIMA相关的激酶7（NIMA-related kinase 7，NEK7）是一种丝氨酸-苏氨酸激酶，细胞有丝分裂时，其位于纺锤体两端，控制胞质的分裂。最近研究发现NEK7在NLRP3炎性小体激活过程中发挥着重要作用，NLRP3的LRR结构域与NEK7结合后，才能被激活，Nek7敲除小鼠的巨噬细胞在LPS与ATP刺激后，炎症因子产生减少，且NEK7只调控NLRP3炎性体的激活过程，与其他炎性体的激活无关［7-8］。

2 NLRP3活化过程

NLRP3炎性体的活化过程受机体的严密调控，其激活一般需要两部分信号：启动信号和激活信号。启动是指各种病原体相关分子模式（pathogenassociated molecular patterns，PAMPs）、损伤相关分子模式（danger-associated molecular patterns，DAMPs）与模式识别受体（pattern recognition recep‐tors，PRRs）结合，或细胞因子（TNF、IL-1β）与其相应受体结合后：一方面，炎症反应信号转导通路激活，NF-κB活化，炎性小体组分NLRP3、caspase 1和pro-IL-1β的转录表达上调；另一方面，启动信号激活NLRP3的翻译后修饰，修饰后的NLRP3虽然未活化，但是处于高反应性状态，使其一旦接受激活的第二信号，可以迅速活化炎性小体，介导炎症反应［9-10］。已接受第一信号细胞在接受第二信号激活后，NLRP3炎性小体快速活化，形成有活性的cas‐pase 1裂解pro-IL-1β、pro-IL-18并释放IL-1β、IL-18。此外，活化的Caspase 1裂解胞内的gasdermin D（GSDMD），生成GSDMD N-末端，GSDMD N-末端与细胞膜所含磷脂酰肌醇磷酸酯、磷脂酰丝氨酸结合，在细胞膜上形成10~14 nm的孔洞，介导细胞焦亡，同时释放IL-1β、IL-18［11-13］。

3 线粒体与NLRP3活化

3.1 氧化磷酸化障碍线粒体是通过有氧代谢产生ATP为细胞提供能量的细胞器，作为氧化磷酸化的副产物，线粒体持续产生细胞活性氧（mitochon‐drial reactive oxygen species，mtROS），而在细胞应激期间，mtROS的水平会显著增加，其进入胞质后可活化NLRP3炎性体［14］。线粒体自噬通过清除受损、功能异常的线粒体，降低mtROS，从而抑制NL‐RP3炎性小体活化，使用线粒体自噬抑制剂可促使NLRP3炎性体活化［15］。咪喹莫特（Imiquimod）是一种小分子腺嘌呤衍生物，通过抑制醌氧化还原酶、线粒体复合物Ⅰ，活化NLRP3炎性体［16］。其活化作用仅依赖于mtROS，而与K⁺外流、溶酶体破坏无关，这与其他研究中使用线粒体复合物Ⅰ、Ⅲ的抑制剂诱导产生mtROS，从而活化NLRP3炎性体相一致［17］。核 因 子-E2相关 因 子2（nuclear factor ery‐throid derived 2-like 2，Nrf2）是机体抗氧化防御系统的主要调节因子，一方面，通过诱导相关抗氧化基因的表达来减少ROS的产生，从而抑制NLRP3活化［18］。另一方面，通过抑制NF-κB的激活，降低NL‐RP3、CASP1、IL-1B和IL-18的表达，降低NLRP3炎性体的活性［19］。

3.2 mtDNA线粒体损伤时释放mtDNA，mtDNA作为一种DAMP激活NLRP3炎性体［20］。细胞受到刺激后，mtROS和Ca2+超载协同作用开放线粒体通透性转换孔（mitochondrial permeability transition，MPT），从而使mtDNA释放入细胞质［21］。SHIMADA等［22］研究发现，在各种NLRP3炎性体激活剂刺激后，在细胞质中很快能检测到线粒体mtDNA。氧化的mtDNA特异性激活NLRP3炎性体，而未氧化的mtDNA可活化AIM2炎性体。胞苷单磷酸激酶2（cytidine/uridine monophosphate kinase 2，CMPK2）是线粒体脱氧核苷三磷酸（deoxy-nucleoside 5'-tri‐phosphates，dNTPs）合成的限速酶，为mtDNA的合成提供原料。还有研究发现TLR2、TLR3或TLR4受体激活后通过MyD88-TRIF-IRF1信号通路上调的CMPK2表达，活化NLRP3炎性体［23］。

3.3 炎性体组装位点除生成、释放mtROS和mtDNA之外，线粒体还充当NLRP3炎性体的“装配车间”。未活化的NLRP3与内质网结合，而受到应激后，NLRP3转位并结合到线粒体和线粒体相关膜（mitochondria-associated membrane，MAM）上［24］。这一过程需要多种线粒体蛋白参与：①心磷脂，从线粒体内膜转位到线粒体外膜，充当线粒体与自噬、凋亡相关分子的结合位点，可结合NLRP3、caspase 1酶原［25］；②线粒体抗病毒信号蛋白（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结合到线粒体，活化NLRP3炎性体，但MAVS不影响其他刺激剂活化NLRP3炎性体的过程；③线粒体融合蛋白2，线粒体融合蛋白2在线粒体外膜、内质网、MAM均有表达，RNA病毒感染时，线粒体融合蛋白2与MAVS一起介导NLRP3结合到线粒体的过程［26］。

3.4 代谢变化除去产能的功能，线粒体还可通过调节细胞的代谢方式调控炎症反应。细菌感染时，溶酶体降解细菌细胞壁的肽聚糖，释放N-乙酰氨基葡萄糖（N-acetylglucosamine，GlcNAc），GlcNAc与糖酵解关键酶己糖激酶结合并转位到细胞质中，活化NLRP3炎性体［27］。己糖激酶抑制剂也可激活NLRP3炎性体。此过程虽无线粒体膜破坏，但细胞质中可检测到mtDNA。同样，抑制糖酵解会活化NLRP3炎性体，促进细胞焦亡［28］。游离脂肪酸（free fatty acids，FAs）增加也可激活NLRP3炎性体［29-30］。AMP活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）在调节脂质代谢过程中起重要作用。一方面，AMPK通过上调机体抗氧化防御系统蛋白的表达，如硫氧化还原蛋白（thioredoxin reductase，TRX）、二氧化锰超氧化物歧化酶（manganese dioxide super‐oxide dismutase，MnSOD）等，减少机体ROS水平，抑制FA诱导的炎症［31］；另一方面，AMPK可通过激活自噬抑制NLRP3炎性体的激活。饱和棕榈酸酯抑制AMPK，使ROS的产生增多，活化NLRP3炎性体［32-33］。此外，禁食、限制热量摄入也可抑制NLRP3炎性小体活化。禁食、限制热量摄入导致低血糖时或I型糖尿病未得到有效控制导致机体不能有效利用血糖时，能量代谢转变为主要依赖脂肪酸氧化供能，生成大量酮体。其中，β-羟基丁酸酯（β-hydroxy‐butyrate，BHB）可抑制NLRP3炎性体活化［34］。但是，BHB的作用机制既不是激活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 小结

随着人均寿命延长与人口老龄化的发展，人们对糖尿病、动脉粥样硬化、痛风、肿瘤等疾病的治疗需求日益增加。近年研究发现，NLRP3炎性体与上述急慢性疾病密切相关，明确NLRP3炎性体的激活机制，对于开发靶向药物与治疗方案尤为重要。目前，针对NLRP3炎性体的药物限于抑制IL-1β，抑制炎症因子所带来的不良反应不容忽视。越来越多的研究发现线粒体供应机体能量外，通过多种机制调控NLRP3炎性体的激活，为治疗NLRP3相关疾病提供新的靶点。