2024年5月4日发(作者:)
生理科学进展2011年第42卷第4期
NALP3炎性体与非感染性炎症疾病术
童玉娜何娅妮
(第三军医大学大坪医院野战外科研究所肾内科,重庆400042)
摘要 在机体非感染性炎症疾病过程中,caspase 1的活化引起IL.1 B、IL一18、IL一33等促炎细胞因子
的分泌是一个重要的过程。而一个被称为NALP3炎性体的多蛋白复合物在easpase.1的活化过程
中起到了重要的调节作用。各种外源或内源的刺激可通过不同的信号通路激活NALP3炎性体来
活化caspase.1。本文就NALP3炎性体的结构和分布、活化和信号通路及对2型糖尿病、痛风、阿尔
兹海默病和肾脏疾病等非感染性炎症疾病的近期研究作一综述。
关键词NALP3炎性体;白细胞介素1B;炎症
中图分类号R364.5
要连接蛋白,连接上游的NALP3和下游的Pro—
caspase一1(Hasegawa等.2005)。CARDINAL(又称
TUCAN;CARD8;NDDP1)由FIIND—CARD结构域
NALP3炎性体是一类分子量约为700 kDa的大
分子蛋白复合体,在细胞质内发挥外源性微生物或
内源性危险信号感受器的作用,是活化半胱天冬酶一
1(caspase一1)的分子平台,调控IL-1B、IL一18、IL一33
等促炎细胞因子的成熟和分泌,在天然免疫、获得性
构成,是NALP3炎性体独有的组成元件,也是人
类独有的,鼠类并不编码CARDINAL,其主要功能
是募集caspase一1的第二个分子,形成caspase,1
的二聚体(Melnfire等.2009)。NALP3炎性体完
成组装后,半胱天冬酶.1前体(procaspase.1)
自动催化成caspase一1,caspase一1又称IL一1 B转化
免疫反应中发挥重要作用。近年来研究表明,激活
NALP3炎性体的内源性危险信号包括ATP、尿酸晶
体、活性氧(reactive oxygen species,ROS)、B淀粉样
蛋白、细胞外基质成分和溶酶体酶等。NALP3炎性
体在2型糖尿病、痛风、阿尔兹海默病和肾脏疾病等
非感染性炎症疾病中的作用和意义日益受到关注。
酶(IL一1 B convertingenzyme,ICE)是炎性体的效
应蛋白,负责将无活性IL-1p前体剪切为成熟IL一1B。
粒细胞、单核细胞、树突细胞、B细胞和T细胞都
能产生NALP3,但它主要分布在口咽、食管、宫
颈阴道粘膜的非角质化上皮、成骨细胞,膀胱和
输尿管的上皮细胞也能表达NALP3(Kummer
等.2007)。
二、NALP3炎性体的活化及信号通路
本文就NALP3炎性体的结构和分布、活化和信号通
路及对相关非感染性炎症疾病的近期研究作一
综述。
一
、
NALP3炎性体的结构和分布
NALP3炎性体是由核苷酸结合寡聚化结构域
样受体(nucleotide-binding oligomerization domain—
like receptors,NLRs)家族成员NALP3、衔接蛋白
ASC(apoptosis—associated speck—like protein contai—
(一)NALP3炎性体的活化信号 NALP3炎性
体能感受胞质内多种微生物产物和代谢性应
激 J,很多信号包括病原相关分子模式(pathogen—
associated molecular pattern,PAMPs)和危险相
关分子模式(danger—associated molecular pattern,
ning a CARD)和CARDINAL,以及效应蛋白caspase一
1组成的多蛋白复合体。NALP3(又称NLRP3;
cryopyrin)是其中的核心蛋白,由C一端1 1个亮氨酸
重复序列(LRRs),中间的NACHT.NAD结构域以及
N一端热蛋白结构域(pyrin domain,PYD)组成,功能
DAMPs)都能通过NALP3炎性体活化caspase一1,剪
切和加工IL一1 8和IL—l8的前体,分泌和释放炎症因
子(表1)。
国家自然科学基金(81070575)资助课题
通讯作者
是将下游的衔接蛋白和效应分子连接起来 。ASC
蛋白分子包含195个氨基酸残基,分子量为21.5
kDa,由PYD和caspase募集域(caspase recruitment
domain,CARD)组成,它是NALP3炎性体的一种重
生理科学进展2011年第42卷第4期
表1 NALP3炎性体的活化信号
分类 活化信号
是,毒素介导的微孔结构以及晶体物质(如尿酸钠
晶体)不能被细胞吞噬也能引起钾离子外流,导致
蓉霎相关分子ly I:Ca , ̄壁譬 、 凛
微生物毒素
:
NALP3炎性体的活化(Petrilli等.2007)。
第三条通路是激活NAI.U3炎性体的信号通过
诱导活性氧的产生,引起未识别蛋白的构像变化从
而活化NALP3炎性体 J。所有已知的NALP3炎性
尼日利亚菌素、气单胞菌溶素、刺尾鱼毒素
细菌
病毒
畲 萄球菌、单核细胞增生李斯特
体的活化信号(石棉、二氧化硅、尿酸钠晶体等)都
能诱导ROS产生,ROS抑制剂可以阻断炎性体的活
化 。如果细胞吞噬功能障碍或丧失使晶体物质
仙台病毒、流感病毒
ATP、活性氧、尿酸钠晶体、焦磷酸钙二水合
蚴子 蓁
(二)NALP3炎性体的活化信号通路 活化
NALP3炎性体的信号通路十分复杂,目前研究发现
主要有四条活化信号通路(图1)。
图1 NALP3炎性体的活化信号通路[3¨
ATP:三磷酸腺苷;pannexin—l:缝隙连接蛋白家族的新成员
Pannexins之一;P2X7R:P2X7受体,是配体门控性离子通道受体
P2X家族成员之一
第一条是微生物毒素(如尼日利亚菌素、气单
胞菌溶素、刺尾鱼毒素等)或T3SS和T4SS的转位
元件通过介导微孔结构活化NALP3炎性体 。有
趣的是,ATP—P2X7R活化的缝隙连接蛋白pannexin.
1也能介导细胞膜的微孔结构,使微生物分子(如胞
壁酰二肽)进入细胞质,被NALP3识别,继而活化炎
性体。
第二条是胞外ATP激活嘌呤型P2X 受体非选
择性阳离子通道,随后pannexin一1通道逐渐开放,导
致钾离子外流,钙离子内流,最后活化NALP3炎性
体 。ATP可以从损伤的细胞和细胞应激中释放,
内皮细胞和上皮细胞的机械性刺激也能释放ATP。
最近研究发现,治疗2型糖尿病的药物格列苯脲作
用于P2X 受体下游,通过和KAT 通道结合,阻止钾
离子外流从而抑制炎性体的活化 ]。值得注意的
不能被细胞吞噬消化(frustrated phagocytosis),可以
通过激活尼克酰胺腺嘌呤磷酸二核苷酸(NADPH)
氧化酶催化反应产生大量活性氧自由基,继而活化
NALP3炎性体。
第四条通路是微粒样物质如尿酸钠晶体、二氧
化硅或B淀粉样蛋白被细胞吞噬后,破裂的溶酶体
释放组织蛋白酶一B,剪切未知的底物从而活化炎性
体 。溶酶体损伤释放组织蛋白酶-B是NALP3
炎性体活化最重要的上游信号通路。
三、NALP3炎性体对非感染性炎症疾病的作用
(一)NALP3炎性体与2型糖尿病2型糖尿病
时,IL一1B等致炎因子通过对抗胰岛素信号促进胰
岛素抵抗,抑制胰岛素依赖的葡萄糖摄取,降低糖耐
量;同时,分泌胰岛素的胰岛局部炎症也参与了糖尿
病的发展,伴随免疫细胞的浸润、局部细胞炎症因子
的升高,局部的炎症和葡萄糖的毒性效应引起B细
胞的凋亡(Maedler等.2002)。长期的高血糖抑制8
细胞分泌胰岛素,诱导IL一1 B依赖方式的细胞死亡。
糖尿病病人或动物模型的胰岛B细胞代谢应激时
表达IL一1B,相比巨噬细胞分泌较少的IL一1B在抑制
p细胞活性和胰岛素分泌能力是足够的。因此,有
学者提出IL一1B是2型糖尿病发病的重要驱动因
素¨ 。新近研究表明,NALP3炎性体是活化IL一1p
的分子平台,NALP3炎性体在2型糖尿病发生发展
中的作用日益受到关注。Zhou等¨ 用酵母双杂交
技术已证实硫氧环蛋白相互作用蛋白(thioredoxin.
interacting protein,TXNIP)是NALP3结合蛋白,在高
糖环境下,TXNIP 一和NALP3 一小鼠胰岛13细胞
IL一1 B的水平显著低于野生型小鼠。进一步研究发
现,ROS抑制剂吡咯烷二硫氨基甲酸盐(ammonium
pyrrolidinedithiocarbamate,APDC)或NADPH氧化酶
抑制剂能明显抑制高糖介导的NALP3炎性体的活
性、降低IL一1p水平 。Schroder等n 认为,持续
高糖不仅能诱导胰岛p细胞表达大量TXNIP,而且
能通过上调NADPH氧化酶或线粒体损伤产生
生理科学进展2011年第42卷第4期
ROS,使TXNIP从硫氧还蛋白(thioredoxin,TRX)中
分离出来,产生的TXNIP直接活化NALP3炎性体,
引起IL一1p的成熟和释放,活化的IL一1B一方面直
接引起胰岛B细胞的死亡和损伤,另一方面通过炎
症反应和免疫细胞浸润进一步加重胰岛B细胞功
能障碍,最终导致2型糖尿病。这些研究结果提示,
阻止NALP3炎性体的活化可以成为预防和治疗2
型糖尿病的手段。
(二)NALP3炎性体与痛风 痛风是普通的自
发炎症性关节炎,以血清高尿酸和反复发作的关节
内尿酸单钠结晶沉积为特征,成年人发病率约l~
2%。最近研究认为,IL.1 B是介导痛风性关节炎的
重要炎症因子,IL一1B在痛风急性发作中发挥关键
作用¨ 。IL一1 B的成熟依赖easpase一1,NALP3炎性
体是活化caspase一1的分子平台。Martinon等用尿
酸钠晶体(monosodium urate,MSU)刺激腹膜巨噬细
胞的体内和体外实验均发现,NALP3 一、ASC 一以
及Caspase一1 一小鼠腹膜炎症反应比野生型小鼠显
著减轻,IL-1B的成熟和释放受到明显抑制(Marti.
non等.2006)。说明NALP3炎性体在尿酸钠晶体
介导IL一1B,引起痛风性炎症反应中扮演重要角色。
进一步研究发现,秋水仙碱通过抑制MSU被细胞吞
噬,进而抑制NALP3炎性体的活化,阻止IL一1B的
成熟来治疗痛风急性发作 J。另有研究用MSU刺
激THP一1(人单核细胞株)和原代小鼠巨噬细胞发
现,当细胞外高钾(KC1浓度130 mM)时,钾离子外
流受到抑制,也阻止了NALP3炎性体的活化,细胞
培养液上清和细胞裂解液中活化的IL一18蛋白表达
明显降低 。而NALP3 一的细胞无论胞外高钾
(KC1浓度130 mM)或正常钾离子浓度,MSU刺激
后,细胞培养液上清和细胞裂解液中几乎没有活化
的IL一1B。此外,ROS抑制剂N一乙酰半胱氨酸(N—a.
cetyl—L—cysteine,NAC)预处理THP.1细胞,MSU刺
激后,IL一1 B的成熟也明显受到抑制。
上述研究结果提示,尿酸钠晶体介导的痛风性
炎症反应可能的机制是尿酸钠晶体被巨噬细胞吞噬
或者通过钾离子外流或ROS途径,使NALP3炎性
体活化,激活caspase一1,分泌和释放成熟的IL一1B,
活化的IL一1B被靶细胞(例如滑膜细胞)上的IL.1
受体结合,激活炎症转录因子(例如NF—KB),产生
和释放炎症介质,进一步放大了痛风性炎症反
应¨ 。有效地阻止尿酸钠晶体活化NALP3炎性
体,可以作为防治痛风性炎症反应的新方法。
(三)NALP3炎性体与阿尔兹海默病IL一1B在
阿尔兹海默病的发病过程中起关键作用,8淀粉样
蛋白(amyloid一 ,AI3)诱导小神经胶质细胞产生大量
IL一1p,诱发脑内炎症反应,加重脑组织的损伤(si.
mard等.2006)。NALP3炎性体参与调控IL一1B的
活化和分泌。Halle等 的研究结果显示,细胞外
Ap被原代小鼠小神经胶质细胞吞噬后导致溶酶体
损伤,释放组织蛋白酶B,激活NALP3炎性体,活化
caspase一1,最终产生和释放促炎细胞因子IL一13,引起
脑组织的炎症反应和神经元损伤。提示A6通过激
活NALP3炎性体,使IL一1B成熟和释放,引起脑组
织的炎症反应可能是阿尔兹海默病的重要机制。
(四)NALP3炎性体与肾脏疾病NALP3炎性
体在肾脏疾病中的作用目前受到广泛关注。Iyer
等¨ 通过肾脏缺血一再灌注(I/R)模型,分别观察野
生型小鼠、NALP3 一和ASC 一小鼠肾功能、肾小管
损伤、肾组织炎症反应以及小鼠死亡率等指标的变
化,发现野生型小鼠NALP3和ASC mRNA表达显著
增加并伴有严重肾小管坏死,细胞外基质双糖链蛋
白聚糖(biglycan)及透明质酸的沉积显著增加,肾间
质中性粒细胞浸润明显增多,肾脏IL一1B和中性粒
细胞化学趋化因子KC水平显著上升。与之相反,
NALP3 和ASC 一小鼠肾组织炎症反应和肾功能
损伤明显减轻,小鼠死亡率显著降低。说明NALP3
炎性体在非免疫介导的间质性肾损伤中具有重要的
作用。新近研究发现,在单侧输尿管梗阻(unilateral
ureteral obsturction,UUO)模型中,Biglyean 一小鼠
肾脏caspase一1活性和IL一1 p水平显著下降、肾间质
浸润的单核细胞数量减少以及肾小管损伤评分显著
降低 ;而在野生型小鼠,双糖链蛋白聚糖大量聚
集于。肾小管上皮细胞,先于肾间质巨噬细胞的浸润
(Schaefer等.2002),肾脏caspase.1活性、IL一1B水
平明显增高。进一步说明非免疫介导的间质性肾损
伤可能的机制是通过双糖链蛋白聚糖活化NALP3
炎性体,激活caspase一1,剪切无活性的IL一1p前体,
最后分泌和释放成熟IL一1B,导致急性间质性肾损
伤。上述研究结果提示,NALP3炎性体参与了急性
间质性肾损伤的发生发展,切断其活化环节能有效
地防止肾组织炎症反应,为预防和治疗急性肾损伤
炎症反应提供了的新的思路。
四、结语
NALP3炎性体不仅在机体对抗病原微生物的
天然免疫中发挥重要作用,也能通过识别内源性危
险信号、代谢性应激介导获得性免疫反应。NALP3
炎性体活化在非感染性炎症疾病的急、慢性炎症反
・
320・
生理科学进展2011年第42卷第4期
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应等病理生理过程中发挥重要的作用和意义。初步
的研究结果已证实NALP3炎性体参与了2型糖尿
病、痛风、肾脏疾病等急慢性非感染性炎症疾病的发
生发展,阻止NALP3炎性体的活化可能成为防治这
些疾病的一个新的靶点,但还需要进一步研究来阐
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缺省模式神经网络内AI3受神经元活性
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缺省模式神经网络(default—mode network,DMN)是在脑处于静息状态下相互联系的、维持健康代谢活动的若干脑区组成
的系统,与自闭症、精神分裂症和AD等有重要联系。研究发现AD患者AI3的沉积形成的老年斑主要见于DMN,然而DMN
内AB沉积易感的机制尚不清楚。Washington大学的Bero等运用APP转基因鼠研究发现,用1TI')(抑制或PTX诱导神经元活
性时,DMN组织液神经元活性的标记物乳酸与该部位可溶性AI3的浓度一一对应,即DMN内神经元活性与AIS的水平正相
关:当神经元活性上调时,可溶性AIS水平升高;相反,当神经元活性降低时,n13水平降低;进一步研究发现青年DMN内AI3浓
度与老年后AI3沉积呈正相关。另外,触须感觉剥夺下调桶状皮质内n13水平,刺激触须则上调AI3水平。该研究证明:DMN
内持续的神经元活性是Ap形成的危险因子,青年可溶性AB水平高的脑区在老年后极有可能产生老年斑。
(Nat Neurosci,2011,14:750~758)(张雁磊张吉强)
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