NLRP3-（Caspase-1）/IL-1β信号通路的研究进展

潘徐彪 李向玉 王志鑫 王宏宾

[摘要] 炎症是危险刺激诱导机体产生的一种防御反应，核苷酸结合寡聚化结构域样受体3（NLRP3）炎性小体是近年来医学科研领域的研究热点之一，活化的NLRP3炎性小体可通过控制多种促炎性细胞因子的成熟与分泌而调节炎性反应及相关免疫细胞的功能。本文主要综述了NLRP3炎性小体的结构、激活与调节机制、下游相关细胞因子的作用以及与白细胞介素-1β（IL-1β）相关的疾病，以期为今后该领域的研究提供参考。

[关键词] 模式识别受体;核苷酸结合寡聚化结构域样受体3;半天冬氮酸特异性半胱氨酸蛋白酶-1;白细胞介素-1β

[中图分类号] R392          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2019）01（a）-0041-04

固有免疫系统是机体识别自我非我的第一道防线，炎性小体作为该系统的一部分主要依靠免疫细胞的模式识别受体（pathogen recognition receptor，PRRs）识别体内的危险相关分子模式（danger associated molecular patterns，DAMPs）或病原相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）如病原微生物等，进而通过引起炎性反应参与抵抗病原体入侵，同时PRRs对机体正常的宿主分子、食物抗原、肠道菌群等保持免疫耐受，避免自身免疫性疾病的发生[1]。

1 核苷酸结合寡聚化结构域样受体3（NLRP3）炎性小体

生物体内的PRRs主要包括核苷酸寡聚化结构域样受体（nod-like roll receptor，NLRs）、Toll样受体（toll-like receptor，TLRs）、c型凝集素受体和视黄酸诱导基因1受体。NLRs属于胞内PRRs，主要功能是识别细胞内的PAMPs和DAMPs，NLRP3是人类22个NLRs家族中研究最多、最成熟的成员之一，主要表达于固有免疫细胞如巨噬细胞、单核细胞和适应性免疫细胞，如T细胞以及非免疫细胞如上皮细胞等细胞的胞浆内[2]。在无菌性炎症损伤中，NLRP3通过与凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC）、半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶-1（cysteine-requiring aspartate protease-1，caspase-1）组成高分子量蛋白复合体，即NLRP3炎性小体，进而诱导白细胞介素-1β（IL-1β）、IL-18、IL-33等相关炎症性子的成熟、释放而引起炎性反应，参与疾病的发生发展过程，其中IL-1β是该信号通路中研究较多细胞因子之一[3]。

1.1 NLRP3与ASC的作用机制

NLRP3属于炎性复合体的传感蛋白，其C端的亮氨酸重复序列能够感知胞内多种内源性刺激物如病原微生物及其代谢产物、胆固醇和外源性刺激物如石棉、紫外线以及尿酸、ATP等内源性危险信号[4]。NLRP3被激活后通过其N端的热蛋白结构域（pyrin domain，PYD）与ASC的PYD域相连，进而诱导ASC的胱天蛋白酶募集结构域（caspase recruitment domain，CARD）招募caspase-1，至此NLRP3炎性复合体被激活。由此可见，NLRP3的主要功能是起始炎性复合体的组装过程，ASC则作为炎性复合体的一种衔接蛋白，用以连接上游的NLRP3和下游的caspase-1[5]。

1.2 caspase-1的作用机制

caspases是一种半胱氨酸蛋白酶，主要以酶原的形式存在于细胞质中，依据所参与的细胞程序分为致炎性和致凋亡性，能够起始或执行细胞程序，诱导炎症发生和细胞死亡[6]。caspase-1是NLRP3炎性小体的效应蛋白，具有促炎性。活化的caspase-1通过对pro-IL-1β等炎性因子的前体进行加工修饰，促进其成熟、分泌，其强大的促炎作用可直接影响宿主对感染和损伤的固有免疫调节过程[7]。

2 NLRP3炎性小体的激活与调控机制

2.1 炎性小体的激活机制

目前，研究认为炎性小体信号通路的激活主要是通过以下两个步骤实现的：①启动信号：NLRP3受危险信号刺激后通过核因子KB途径启动pro-IL-1β和NLRP3等前体蛋白的转录和表达[8];②激活信号：主要是NLRP3炎性小体的组装以及活化的caspase-1对下游炎性因子进行加工修饰并最终导致其成熟分泌的过程。研究认为NLRP3的活化可能是通过识别刺激物所产生某一信号而实现的，主要包括以下3种[5]：①损伤相关分子模式（DAMPs）或病原相关分子模式（PAMPs）通过诱发细胞表面P2X7嘌呤受体活化或细胞内ATP释放引起细胞内K+外流，进而泛连接蛋白Pannexin-1半通道形成，最终导致相应的配体进入细胞内激活整个信号通路[9]。②刺激物通过主动转运过程进入胞内，改变溶酶体膜电位干扰其稳定性，导致溶酶体蛋白水解酶释放，其中组织蛋白酶B的释放在炎性小体激活过程中可能起到了关键性作用。③内源性危险信号诱导细胞线粒体活性氧（ROS）大量生产，ROS可促进细胞内硫氧还蛋白互作蛋白（TXNIP）与硫氧蛋白-1分离，并使TXNIP与NLRP3结合而激活整个炎性小体[10]。

以上激活途径仅仅是在个别研究中所发现的，均具有其局限性，如针对第一种激活途径的研究发现细胞内其他离子如Ca2+、H+等浓度改变时亦可影响NLRP3的活化[11]，这说明炎性小体的活化可能与细胞內环境的改变或膜电位的异常有关，同时Kasimsetty等[12]研究发现在人单核细胞和树突状细胞内由K+外流信号所介导的激活途径对是否合并嘌呤受体P2X7活化的依赖性不同。此外Lima等[13]发现胞内溶酶体破坏与组织蛋白酶B释放所介导的NLRP3活化仅仅是针对晶体类DAMPs有效，而与ATP及细菌毒素介导的激活途径无关。

2.2 炎性小体的调控机制

NLRP3炎性小体被过度激活可产生过量的炎性因子诱导细胞死亡导致疾病的发生，故而在实现适应性免疫应答的同时及时关闭固有免疫反应，防止炎性小体过度激活显得尤为重要。在正常情况下机体T细胞来源的INF-γ可通过激活诱导型一氧化氮合酶或特异性肿瘤坏死因子所诱导的CD4+效应T细胞抑制NLRP3炎性小体激活[14]。此外个别病原微生物尚可通过特殊机制避免被NLRP3识别从而实现免疫逃避的目的如：痘病毒通过表达能与ASC结合的类似物如M013蛋白和gp013L蛋白而抑制炎性小体的组装过程，假结核耶尔森菌外膜蛋白K通过与T3SS的易位子相互作用下调本身PAMPs，从而逃避NLRP3的识别作用。此外，动物实验表明，对自噬系统被抑制的小鼠施加特定干预后可导致NLRP3炎性小体被过度激活[15]。

3 下游炎性因子IL-1β在固有免疫反应中的作用

IL-1β是一个经典的促炎性细胞因子，主要由活化的固有免疫细胞如巨噬细胞、单核细胞产生，在炎症早期发挥关键作用。具体作用如下：①调节树突状细胞、巨噬细胞、Th2细胞等免疫细胞的功能，并可趋化其在局部组织中聚集[16];促进Th17细胞分化及其相关因子的产生[17];促进嗜酸性粒细胞脱颗粒，增强其细胞毒性作用。②与靶细胞上的受体结合后，激活IL-1信号通路和髓样分化因子依赖的NF-κB通路，正反馈作用促进IL-1等促炎性细胞因子转录，诱导机体炎性反应，引起机体发热。③增加多种细胞因子和黏附因子的合成、表达与释放，包括IL-18、细胞间黏附分子、血管细胞黏附分子、E-选择素等。④在局部组织的纤维化过程中起重要作用。

4 NLRP3-（caspase-1）/IL-1β通路过度激活可导致疾病的发生

NLRP3炎性小体过度激活时可通過生成过量的炎性因子诱发细胞凋亡，参与疾病的发生发展。目前研究表明NLRP3炎性小体的过度激活在多种炎症性疾病、代谢性疾病、自身免疫性疾病以及肿瘤性疾病的发生发展中起到了关键性作用。

4.1 痛风

痛风是一种的因嘌呤代谢紊乱和/或尿酸排泄减少导致高尿酸血症，进而出现单钠尿酸盐（MSU）局部沉积所致的晶体相关性关节病，MSU局部沉积所导致的炎症是该病发生的核心机制[18-19]。丁焕发等[20]研究认为MSU可能是作为一种内源性DAMPs被机体识别激活NLRP3炎性小体，进而导致下游以IL-1β为主的炎性细胞因子的成熟与释放，诱导中性粒细胞向滑膜及关节液中聚集诱发局部组织炎性反应。这一理论的发现已被应用于临床治疗，如秋水仙碱的作用机制之一即是通过抑制MSU被巨噬细胞吞噬而抑制NLRP3炎性小体的活化，进而抑制IL-1β的分泌来治疗急性痛风的发作[21]。

4.2 阿尔茨海默病

阿尔茨海默病是一种以进行性认知功能减退为主要表现的神经系统退行性疾病，目前其发病机制尚不清楚。有学者认为颅内大量沉积的低聚β淀粉样蛋白通过诱导神经系统小胶质细胞的毒性作用而抑制神经突触部位的功能可能是疾病发生发展的原因之一。该过程的实现可能是通过颅内神经小胶质细胞吞噬胞外低聚β淀粉样蛋白，导致其溶酶体损伤而释放组织蛋白酶B，而后其作为危险信号激活NLRP3信号通路，引起脑组织炎性反应和神经元损伤，使患者出现痴呆及认知、执行能力下降等症状[22-23]。

4.3 糖尿病

糖尿病是一组因胰岛素分泌缺陷和/或生物学作用受损而引起的以血糖增高为特征的糖代谢异常性疾病，发病原因不明。NLRP3炎性小体的过度活化可能参与了2型糖尿病的发生发展过程。Wen等[24]研究发现NLRP3多基因变异可能增加了人类2型糖尿病的易感性，如rs10754588是其常见的基因变种之一，该基因型在2型糖尿病患者的表达频率显著高于正常人群，且主要与胰岛素抵抗相关。Yang等[25]研究发现胰岛淀粉样多肽能够直接活化NLRP3炎性小体，促进疾病的发生发展，具体机制可能是活化的NLRP3炎性小体通过IL-1β对胰岛β细胞的细胞毒性作用诱导其凋亡和损伤，增加胰岛素抵抗，导致糖尿病的发生。在动物实验中敲除小鼠NLRP3基因或给予IL-1β拮抗剂后其对高糖耐受力和对胰岛素敏感性明显增高，施加针对β细胞有害因素后其受损程度显著低于对照组[10]。

4.4 急性冠脉综合征

急性冠状动脉综合征（ACS）是因冠状动脉内粥样硬化斑块在某些病理因素刺激下出现破裂或糜烂继而导致血栓形成，导致冠脉血管完全或不完全闭塞而出现的一组临床综合征。ASC的整个病理生理过程中均有炎性反应的参与，其中IL-1β被认为是介导该炎性反应的中心介质之一。研究发现病患外周血单核细胞内NLRP3呈高水平表达，且hs-CRP呈正相关，而强化瑞舒伐他丁治疗可有效降低NLRP3、IL-1β的表达水平。在动物实验中给予敲除NLRP3基因小鼠损害心肌的干预后其心肌梗死面积较对照组显著缩小，具体机制可能是NLRP3炎性小体被受损心肌细胞释放的内源性危险信号ATP激活，最终通过炎性反应诱导心肌细胞炎性死亡[10]。

5 小结

NLRP3炎性小体主要是通过促进下游炎性细胞因子的大量释放，诱导机体急慢性炎性反应而参与疾病的发生发展。与NLRP3炎性小体过度激活有关的疾病间存在许多交叉之处，如：NLRP3的过度激活与痛风、肥胖、糖尿病及ACS等疾病的发生发展有关，而恰恰这几种疾病常常合并出现于同一患者，这也提示我们其可能是通过改变机体某个特异靶位点而影响某个或几个器官/系统的生理功能，从而导致疾病的发生。

此外，NLRP3炎性小体的研究目前主要集中于下游炎性因子所引起的炎性反应在各单病种中的作用，其下游相关细胞因子可通过调节机体免疫细胞的功能而参与免疫性疾病或寄生虫病的发生发展如：IL-1β可促进Th2细胞的聚集及Th17细胞的分化，IL-18可同时增强Th1和Th2细胞所参与的免疫应答反应，IL-33可介导Th2细胞的应答反应，研究证实在多房棘球绦虫感染人体时将导致这些免疫细胞功能异常[26]，从而逃避机体的免疫杀伤作用。到目前为止，该信号通路在这些领域的研究尚处于空白状态，故而今后对NLRP3炎性小体的科研工作应从多角度、多领域综合分析其在各疾病进展中的作用机制。

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（收稿日期：2018-07-16  本文編辑：封   华）