NALP3炎性體與非感染性炎癥疾病及其通路研究工具

一、NALP3炎性體的結(jié)構(gòu)和分布

NALP3炎性體是一類分子量約為700kDa的大分子蛋白復(fù)合體，由核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptors，NLRs）家族成員NALP3、銜接蛋白ASC（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD）和CARDINAL，以及效應(yīng)蛋白caspase-1組成，在細胞質(zhì)內(nèi)發(fā)揮外源性微生物或內(nèi)源性危險信號感受器的作用，是活化半胱天冬酶-1（caspase-1）的分子平臺，調(diào)控IL-1β、IL-18、IL-33等促炎細胞因子的成熟和分泌，在天然免疫、獲得性 免疫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。研究表明，激活NALP3炎性體的內(nèi)源性危險信號包括ATP、尿酸晶體、活性氧（reactive oxygen species，ROS）、β淀粉樣蛋白、細胞外基質(zhì)成分和溶酶體酶等。粒細胞、單核細胞、樹突細胞、B細胞和T細胞都能產(chǎn)生NALP3， 但它主要分布在口咽、食管、宮頸陰道粘膜的非角質(zhì)化上皮、成骨細胞，膀胱和輸尿管的上皮細胞也能表達NALP3。NALP3炎性體在2型糖尿病、痛風、阿爾茲海默病和腎臟疾病等非感染性炎癥疾病中的作用和意義日益受到關(guān)注。

 

二、NALP3炎性體的活化及信號通路

 

 

 

 

 

三、NALP3炎性體對非感染性炎癥疾病的作用

 

（一）、NALP3炎性體與2型糖尿病2型糖尿病：

IL-1β等致炎因子通過對抗胰島素信號促進胰島素抵抗，抑制胰島素依賴的葡萄糖攝取，降低糖耐量；同時，分泌胰島素的胰島局部炎癥也參與了糖尿病的發(fā)展，伴隨免疫細胞的浸潤、局部細胞炎癥因子的升高，局部的炎癥和葡萄糖的毒性效應(yīng)引起β細胞的凋亡。長期的高血糖抑制β細胞分泌胰島素，誘導(dǎo)IL-1β依賴方式的細胞死亡。糖尿病病人或動物模型的胰島β細胞代謝應(yīng)激時表達IL-1β，相比巨噬細胞分泌較少的IL-1β在抑制β細胞活性和胰島素分泌能力是足夠的。因此，有學者提出IL-1β是2型糖尿病發(fā)病的重要驅(qū)動因素。新近研究表明，NALP3炎性體是活化IL-1β的分子平臺，NALP3炎性體在2型糖尿病發(fā)生發(fā)展中的作用日益受到關(guān)注。Zhou等用酵母雙雜交技術(shù)已證實硫氧環(huán)蛋白相互作用蛋白（thioredoxin-interacting protein，TXNIP）是NALP3結(jié)合蛋白，在高糖環(huán)境下，TXNIP^－/－和NALP3^－/－小鼠胰島β細胞IL-1β的水平顯著低于野生型小鼠。進一步研究發(fā)現(xiàn)，ROS抑制劑吡咯烷二硫氨基甲酸鹽（APDC）或NADPH氧化酶抑制劑能明顯抑制高糖介導(dǎo)的NALP3炎性體的活性、降低IL-1β水平。Schroder等認為，持續(xù)高糖不僅能誘導(dǎo)胰島β細胞表達大量TXNIP，而且能通過上調(diào)NADPH氧化酶或線粒體損傷產(chǎn)生ROS，使TXNIP從硫氧還蛋白（thioredoxin，TRX）中分離出來， 產(chǎn)生的TXNIP直接活化NALP3炎性體，引起IL-1β的成熟和釋放，活化的IL-1β一方面直接引起胰島β細胞的死亡和損傷， 另一方面通過炎癥反應(yīng)和免疫細胞浸潤進一步加重胰島β細胞功 能障礙，最終導(dǎo)致2型糖尿病。這些研究結(jié)果提示，阻止NALP3炎性體的活化可以成為預(yù)防和治療2型糖尿病的手段。

 

（二）、NALP3炎性體與痛風

痛風是普通的自發(fā)炎癥性關(guān)節(jié)炎，以血清高尿酸和反復(fù)發(fā)作的關(guān)節(jié)內(nèi)尿酸單鈉結(jié)晶沉積為特征，成年人發(fā)病率約1～2%。最近研究認為，IL-1β是介導(dǎo)痛風性關(guān)節(jié)炎的重要炎癥因子，IL-1β在痛風急性發(fā)作中發(fā)揮關(guān)鍵作用。IL-1β的成熟依賴caspase-1，NALP3炎性體是活化caspase-1的分子平臺。Martinon等用尿酸鈉晶體（monosodiumurate，MSU）刺激腹膜巨噬細胞的體內(nèi)和體外實驗均發(fā)現(xiàn)，NALP3^－/－、ASC^－/－以及Caspase-1^－/－小鼠腹膜炎癥反應(yīng)比野生型小鼠顯著減輕，IL-1β的成熟和釋放受到明顯抑制。說明NALP3炎性體在尿酸鈉晶體介導(dǎo)IL-1β，引起痛風性炎癥反應(yīng)中扮演重要角色。

 

進一步研究發(fā)現(xiàn)，秋水仙堿通過抑制MSU被細胞吞噬，進而抑制NALP3炎性體的活化，阻止IL-1β的成熟來治療痛風急性發(fā)作。另有研究用MSU刺激THP-1（人單核細胞株）和原代小鼠巨噬細胞發(fā)現(xiàn)，當細胞外高鉀（Kcl濃度130mM）時，鉀離子外流受到抑制，也阻止了NALP3炎性體的活化，細胞培養(yǎng)液上清和細胞裂解液中活化的IL-1β蛋白表達明顯降低。而NALP3 ^－/－ 的細胞無論胞外高鉀（Kcl濃度130mM）或正常鉀離子濃度，MSU刺激 后，細胞培養(yǎng)液上清和細胞裂解液中幾乎沒有活化的IL-1β。此外，ROS抑制劑N-乙酰半胱氨酸（NAC）預(yù)處理THP-1細胞，MSU刺激后，IL-1β的成熟也明顯受到抑制。

 

痛風是普通的自發(fā)炎癥性關(guān)節(jié)炎，以血清高尿酸和反復(fù)發(fā)作的關(guān)節(jié)內(nèi)尿酸單鈉結(jié)晶沉積為特征，成年人發(fā)病率約1～2%。最近研究認為，IL-1β是介導(dǎo)痛風性關(guān)節(jié)炎的重要炎癥因子，IL-1β在痛風急性發(fā)作中發(fā)揮關(guān)鍵作用。IL-1β的成熟依賴caspase-1，NALP3炎性體是活化caspase-1的分子平臺。Martinon等用尿酸鈉晶體（MSU）刺激腹膜巨噬細胞的體內(nèi)和體外實驗均發(fā)現(xiàn)，NALP3^－/－、ASC^－/－以及Caspase-1^－/－小鼠腹膜炎癥反應(yīng)比野生型小鼠顯著減輕，IL-1β的成熟和釋放受到明顯抑制。說明NALP3炎性體在尿酸鈉晶體介導(dǎo)IL-1β，引起痛風性炎癥反應(yīng)中扮演重要角色。

 

（三）、NALP3炎性體與阿爾茲海默病

IL-1β在阿爾茲海默病的發(fā)病過程中起關(guān)鍵作用，β淀粉樣蛋白（amyloid-β）誘導(dǎo)小神經(jīng)膠質(zhì)細胞產(chǎn)生大量IL-1β，誘發(fā)腦內(nèi)炎癥反應(yīng)，加重腦組織的損傷。NALP3炎性體參與調(diào)控IL-1β的活化和分泌。Halle等的研究結(jié)果顯示，細胞外Aβ被原代小鼠小神經(jīng)膠質(zhì)細胞吞噬后導(dǎo)致溶酶體 損傷，釋放組織蛋白酶B，激活NALP3炎性體，活化caspase-1，最終產(chǎn)生和釋放促炎細胞因子IL-β，引起腦組織的炎癥反應(yīng)和神經(jīng)元損傷。提示Aβ通過激活NALP3炎性體，使IL-1β成熟和釋放，引起腦組織的炎癥反應(yīng)可能是阿爾茲海默病的重要機制。

 

（四）、NALP3炎性體與腎臟疾病

NALP3炎性體在腎臟疾病中的作用目前受到廣泛關(guān)注。Iyer等通過腎臟缺血-再灌注（I/R）模型，分別觀察野生型小鼠、NALP3^－/－和ASC^－/－小鼠腎功能、腎小管損傷、腎組織炎癥反應(yīng)以及小鼠死亡率等指標的變化，發(fā)現(xiàn)野生型小鼠NALP3和ASC mRNA表達顯著增加并伴有嚴重腎小管壞死，細胞外基質(zhì)雙糖鏈蛋白聚糖及透明質(zhì)酸的沉積顯著增加，腎間質(zhì)中性粒細胞浸潤明顯增多，腎臟IL-1β和中性粒細胞化學趨化因子KC水平顯著上升。

 

與之相反，NALP3^－/－和ASC^－/－小鼠腎組織炎癥反應(yīng)和腎功能損傷明顯減輕，小鼠死亡率顯著降低。說明NALP3炎性體在非免疫介導(dǎo)的間質(zhì)性腎損傷中具有重要的作用。新近研究發(fā)現(xiàn)，在單側(cè)輸尿管梗阻（unilateral ureteral obstruction，UUO）模型中，Biglycan^－/－小鼠腎臟caspase-1活性和IL-1β水平顯著下降腎間質(zhì)浸潤的單核細胞數(shù)量減少以及腎小管損傷評分顯著降低；而在野生型小鼠，雙糖鏈蛋白聚糖大量聚集于腎小管上皮細胞，先于腎間質(zhì)巨噬細胞的浸潤，腎臟caspase-1活性、IL-1β水平明顯增高。進一步說明非免疫介導(dǎo)的間質(zhì)性腎損傷可能的機制是通過雙糖鏈蛋白聚糖活化NALP3炎性體，激活caspase-1，剪切無活性的IL-1β前體，最后分泌和釋放成熟IL-1β，導(dǎo)致急性間質(zhì)性腎損傷。上述研究結(jié)果提示，NALP3炎性體參與了急性間質(zhì)性腎損傷的發(fā)生發(fā)展，切斷其活化環(huán)節(jié)能有效地防止腎組織炎癥反應(yīng)，為預(yù)防和治療急性腎損傷炎癥反應(yīng)提供了的新的思路。

 

四、結(jié)語

NALP3炎性體不僅在機體對抗病原微生物的天然免疫中發(fā)揮重要作用，也能通過識別內(nèi)源性危險信號、代謝性應(yīng)激介導(dǎo)獲得性免疫反應(yīng)。NALP3炎性體活化在非感染性炎癥疾病的急、慢性炎癥反應(yīng)等病理生理過程中發(fā)揮重要的作用和意義。初步的研究結(jié)果已證實NALP3炎性體參與了2型糖尿病、痛風、腎臟疾病等急慢性非感染性炎癥疾病的發(fā)生發(fā)展，阻止NALP3炎性體的活化可能成為防治這些疾病的一個新的靶點，但還需要進一步研究來闡明其作用機制，為其臨床運用提供理論依據(jù)。

相關(guān)通路指標：

Innate Immunity: CASP1 (ICE), CHUK (IKKα), IKBKB, IRS1, IRS2, NLRP3, NFKBIA (IκBα/MAD3), PYCARD (TMS1/ASC), RELA, TLR4.

 

Inflammation: ALOX5, CASP1 (ICE), CCL2 (MCP-1), CCR4, CCR5, CHUK (IKKα), CXCR4, IFNG, IKBKB, IL1B, IL23R, IL6, IL8, LTA4H, NLRP3, OLR1, PYCARD (TMS1/ASC), RELA, TNF, TNFRSF1A, TNFRSF1B.

 

Apoptosis: PPARG, SERPINE1 (PAI-1), TNF, CASP1 (ICE), IKBKB, IRS2, MAPK9 (JNK2), NFKBIA (IκBα/MAD3), NLRP3, PYCARD (TMS1/ASC), RELA, TNFRSF1A, JAK2, PIK3CA (p110A), SOCS3, RPS6KB1, TNFRSF1B.

 

Defense Response to Viruses: CD4, CD40 (TNFRSF5), CD86, CD8A, CXCL10 (INP10), DDX58 (RIG-I), HLA-A, IFNAR1, IFNB1, IL23A, IL6, IRF3, NLRP3, TICAM1 (TRIF), TLR3, TLR7, TLR8, TYK2.

 

Nod-Like Receptor Signaling:
Receptors and Signaling: AIM2, CARD9, CASP1 (ICE), HSP90AA1, MEFV, NLRP3, NOD2, OAS2, PSTPIP1, PYCARD (TMS1/ASC), PYDC1 (POP1), SUGT1.

 

Responsive Genes: IL1B, IL18.