742 生理学报 Acta Physiologica Sinica, December 25, 2012, 64(6): (2) 核苷酸结合寡聚化结构域 (nucleotide binding oligomerization domain, NOD) 样受体 (NOD like re

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1 生理学报 Acta Physiologica Sinica, December 25, 2012, 64(6): 综述 炎性体在炎症反应中的调节作用 刘安楠 1,2, 孙铁英 3,* 1 中国医学科学院北京协和医学院, 北京 ; 卫生部北京医院 2 特需医疗部 ; 3 呼吸与危重症医学科, 北京 摘要 : 固有免疫系统在机体快速识别和清除入侵病原体过程中起着非常重要的作用 在固有免疫应答中, 免疫细胞通过自身的特异性模式识别受体 (pattern-recognition receptors, PRRs) 来识别病原体特有的保守结构病原相关分子模式 (pathogen-associated molecular patterns, PAMPs) 细胞内核苷酸结合寡聚化结构域(nucleotide binding oligomerization domain, NOD) 样受体 (NOD like receptors, NLRs) 是胞浆型 PRRs 中的一个重要家族, 当病毒和细菌病原侵袭时,NLRs 在宿主细胞胞浆内诱导装配一种多蛋白信号复合体, 称作炎性体 炎性体在感受外界信号刺激后活化一种重要的固有免疫介质 胱天蛋白酶 -1 (Caspase-1) Caspase-1 启动一种重要的细胞死亡形式 pyroptosis 病原体通过激活炎性体导致 Caspase-1 活化, 最终导致 IL-1β IL-18 等细胞内重要的促炎细胞因子的成熟 活化 本文将综述 NLRP1 NLRP3 NLRC4 和 AIM2 等炎性体在炎症反应中激活与负调控作用的最新进展 关键词 : 炎性体 ; 核苷酸结合寡聚化结构域样受体 ; 炎症 ; 调控中图分类号 :R33 Regulation of NOD like receptors and inflammasome during the inflammation LIU An-Nan 1,2, SUN Tie-Ying 3,* 1 Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing , China; 2 Department of Special Medical Care; 3 Department of Respiratory and Critical Care Medicine, Beijing Hospital of the Ministry of Health, Beijing , China Abstract: The innate immune system plays a crucial role in the rapid recognition and elimination of invading microbes. Detection of microbes relies on germ-line encoded pattern recognition receptors (PRRs) that recognize essential bacterial molecules, so-called pathogen-associated molecular patterns (PAMPs). A subset of PRRs, belonging to the nucleotide binding oligomerization domain (NOD)-like receptor (NLR) families, detects viral and bacterial pathogens in the cytosol of host cells and induces the assembly of a multi-protein signaling platform called the inflammasome. The inflammasome serves as an activation platform for the cysteine protease Caspase-1, a central mediator of innate immunity. Caspase-1 initiates a novel form of cell death called pyroptosis. Inflammasome activation by pathogen-associated signatures results in the autocatalytic cleavage of Caspase-1 and ultimately leads to the processing and thus secretion of pro-inflammatory cytokines, most importantly interleukin (IL)-1β and IL-18. Here, we review the recent advancements of negative regulatory functions and mechanisms leading to the activation of NLRP1, NLRP3, NLRC4, and AIM2 inflammasomes. Key words: inflammasomes; nucleotide binding oligomerization domain-like receptor; inflammation; regulation 固有免疫系统是机体抵御病原生物入侵的第一道防线, 参与感染早期应答, 在固有免疫应答中, 免疫细胞通过模式识别受体 (pattern recognition receptors, PRRs) 启动有效的免疫应答 PRRs 主要包 括三种 :(1) Toll 样受体 (Toll-like receptors, TLRs), TLRs 是跨膜受体, 胞外段负责识别细胞外表面及吞噬体内的病原相关分子模式 (pathogen-associated molecular patterns, PAMPs), 胞内段负责信号转导 Received Accepted This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (No ). * Corresponding author. Tel: ; suntieying3@hotmail.com

2 742 生理学报 Acta Physiologica Sinica, December 25, 2012, 64(6): (2) 核苷酸结合寡聚化结构域 (nucleotide binding oligomerization domain, NOD) 样受体 (NOD like receptors, NLRs), 是胞内受体, 负责识别胞浆内的 PAMPs (3) RIG-1 样受体 (the retinoid acid-inducible gene-1 like receptors, RLRs), 是一种解旋酶, 主要识别病毒 宿主免疫细胞对胞内感染的各种病原微生物及其产物的快速识别依赖存在于胞浆内的一类多蛋白复合体, 即炎性体 (inflammasome) [1] 当病毒和细菌病原侵袭时,NLRs 家族在宿主细胞胞浆内诱导组装炎性体 炎性体功能状态对多种临床疾病的发生 发展及预后有重要意义 炎性体在感受外界信号刺激后活化胱天蛋白酶 -1 (Caspase-1) 活化的 Caspase-1 能够调控白介素 (interleukin, IL)-1β IL-18 和 IL-33 等细胞内重要的促炎细胞因子的成熟 活化, 介导机体固有免疫 本文就近年来炎性体在炎症反应中作用的研究进展做一综述 1 炎性体的组成成分炎性体是大分子量 多种蛋白质组成的复合体, 含有无活性的 Caspase-1 NLRs 细胞质 DNA 传感器黑素瘤缺乏因子 2 (absent in melanoma 2, AIM2) 或 PYHIN 蛋白, 此外, 凋亡相关斑点样蛋白 (apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD, ASC) 也参与某些炎性体的组成 1.1 NLRs 稳定期慢性阻塞性肺病患者和吸烟者外周血单核细胞 TLR2 及 TLR4 表达显著下调, 固有免疫可 [2] 能受到抑制,TLR 表达下调与肺功能下降有关 与 TLRs 不同,NLRs 是胞浆内 PRRs NLRs 可以迅速识别存在于宿主体细胞胞浆内的 PAMPs, 并激活相应抗感染炎症反应信号通路, 参与 IL-1β 和 IL-18 的加工, 具有抗感染的意义 NLRs 是装配炎性体的多种蛋白质成分中的核心成分 目前在人体中发现的 NLRs 家族成员有 22 个, [3] 鼠类有更多 NLRs 分子的 N 端为效应结构域, 含有胱天蛋白酶招募结构域 (Caspase recruitment domain, CARD) 热蛋白结构域 (pyrin domain, PYD) 或杆状病毒凋亡抑制重复结构域 (baculovirus inhibitor of apoptosis repeat domain, BIR), 将 NLRs 分子和下游衔接蛋白及效应分子连接起来 NLRs 分子中段为特征性结构域 NACHT NLRs 的 C 端为 LRR 结构域, 可识别 PAMPs NLRs 主要通过三类 信号转导途径发挥作用, 包括核转录因子 κb (nuclear factor κb, NF-κB) 通路 丝裂原激活蛋白激酶 (mitogen-activated protein kinases, MAPKs) 通路以及炎性体通路 根据 N 端效应区域的不同,NLRs 分为如下亚 [4] 组 :NLRA (N 端为 AD), 包括 CIITA ;NLRB (N 端为 BIR), 包括 NAIP ;NLRC (N 端为 CARD), 包括 NOD1 NOD2 NLRC3 NLRC4 和 NLRC5 ; NLRP (N 端为 PYD), 包括 NLRP1~NLRP14; 此外, N 端结构域不明确者命名为 NLRX, 此亚家族目前只有一个成员 NLRX1 [5] NLRP 亚家族人类 NLRP 亚家族有 14 个成员, 鼠类有 12 个成员, 主要表达于粒细胞 单核细胞 巨噬细胞 树突状细胞 T 细胞和 B 细胞 比较特殊的是 NLRP1 分子的 LRR 残基后有一个 FIIND-CARD 构成的接头蛋白 Cardinal Cardinal 是人类独有的, 鼠类不编码, 主要功能是募集 Caspase-1 的第二个分子, 形成 Caspase-1 的二聚体 NLRC 亚家族 NLRC 亚家族主要表达于单核细胞 树突状细胞 粒细胞, 在 T 细胞 肠道上皮细胞也有少量表达 NOD1 和 NOD2 募集含丝氨酸 - 苏氨酸激酶的 RIP2 激活 NF-κB 和 MAPK 信号途径 由于 NF-κB 和 MAPK 通路的作用广泛,NODl 和 NOD2 可以引起一系列的免疫效应 值得注意的是, 体内试验中只有幽门螺旋杆菌和肺炎链球菌上有令人信服的证 [6,7] 据证明 NOD1 的细菌感染清除作用 近期研究显示,NOD1 在宿主防御细胞内原生寄生虫克氏锥 [8] 虫中起到重要作用, 提示 NOD1 对缺乏肽聚糖的病原也有清除作用 NLRC5 可能参与全身性免疫信号调节宿主粘膜防御 NLRC5 过表达可通过 Caspase-1 促使 IL-1β 增加, 但在 NLRC5 缺陷细胞中被激活物质激活后 IL-1β 并没有下降, 提示 NLRC5 通过未知的通路控制 IL-1β 生成 有实验表明,NLRC5 在炎性体激活 [9] 的同时调节 NF-κB 和 I 型干扰素信号通路 在 NLRC5 缺陷小鼠以及分离的免疫细胞中,NLRC5 在免疫中的正向及负向调控作用都没有被证实 提示在生理状态下,NLRC5 对细菌 病毒感染的细 [10] 胞因子诱导是非必需的 NLRA 亚家族 CIITA 含有主要组织相容性复合体 (MHC)II 类

3 刘安楠等 : 炎性体在炎症反应中的调节作用 743 分子反式激活蛋白的活化结构域 分布于细胞质, 感受病原微生物的某些产物, 诱导 NF-κB 的激活或介导程序性细胞死亡 NLRB 亚家族人类 NAIP 是 III 型分泌系统 (T3SS) 针状蛋白的特殊受体 鼠 NAIP5 识别细菌鞭毛,NAIP2 识别 T3SS 棒状蛋白 NLRX 亚家族 NLRX1 有与 CARD 相关的 X 结构域, 因此有 [11] 人将 NLRX1 归入 NLRC 亚家族 NLRX1 定位在线粒体基质, 能够增加活性氧, 放大炎症信号级 [12] 联反应, 影响抗菌能力 目前的研究只确定 NLRP1 NLRP3 和 NLRC4 [3] 能发起炎性体装配 也有学者认为 NLRP6 可发 [13] 起炎性体装配, 但仍有争议 其它如 NAIP5 NLRP12 和 NLRC5 在炎性体装配中具有辅助或调节功能 1.2 ASC ASC 是细胞内的一种重要连接蛋白, 通过 Caspase-1 活化途径的上游信号分子调节发挥活化因子作用 ASC 与 NLRs 及 pro-caspase 结合, 转化为下游的信号转导 在未活化的单核巨噬细胞中 ASC 表达于细胞核, 受病原体感染后 ASC 快速进入胞浆 [14] 参与炎性体组装 ASC 参与了 NLRP1 NLRP2 NLRP3 和 NLRC4 炎性体的组成并在其中起着重要的作用 1.3 Caspase 在 Caspase 家族中, 与人类炎症相关的是 Caspase-1 Caspase-4 Caspase-5 Caspase-12 Caspase-13 和 Caspase-14, 主要参与细胞因子介导炎症 [15] 反应 ; 而与鼠炎症相关的是 Caspase-1 Caspase-11 Caspase-12 ; 参与炎性体组成的是 Caspase-1 和 Caspase-5 ; 参与炎性体活性调节的是 Caspase-12 Caspase-1 是炎性体的效应蛋白, 参与了炎性体的形成并在其中被激活 当细胞受到各种胞外病原体或胞内危险信号刺激时, 细胞内会装配形成炎性体, 并招募无活性的 pro-caspase-1, 形成 pro-caspase-1 的相对高浓度, 此时酶原发生水解形成四聚体, 最终成为具有活性的 Caspase-1 Caspase-1 负责将无活性 IL-1β 前体剪切为成熟 IL-1β 1.4 AIM2 AIM2 蛋白属于胞质 PYHIN 家族,AIM2 通过 HIN-200 结构域启动炎性体的组装与活化 AIM2 与 ASC 结合, 之后 ASC 与 pro-caspase-1 发生作用, 启动 Caspase-1 的活化, 产生活化的 IL-1β IL-18 [16] 等 2 NLRs 与炎性体的激活与调控 2.1 炎性体的激活炎性体可感受细胞内多种微生物及代谢产物刺激, 各种信号刺激均能引起 Caspase-1 活化和 IL-1β 分泌 这些信号并非激活同一种炎性体, 不同病原体 PAMPs 通过各种炎性体激活 Caspase-1 的具体途径不同,Caspase-1 活化后引发的细胞效应亦不同, 有时导致细胞因子分泌, 有时会使细胞死亡 而不同的激活途径也可产生共同的结果 下面介绍几种研究比较清楚的炎性体的激活机制 NLRP1 炎性体目前发现的配体只有三种 : 炭疽杆菌 鼠弓形体和 MDP [17, 18] 当受到配体刺激后,NLRP1 能直接招募 pro-caspase-1 也有研究显示,NOD2 在 [19] NLRP1 炎性体的组装中起作用 细胞内钾离子浓度变化可激活 NLRP1,NLRP1 联合 NOD2 参与炭疽杆菌和 MDP 作为配体的 Caspase-1 依赖的 IL-1β 分泌 近期研究显示, 炭疽杆菌不仅能通过 [20] NLRP1 也可以通过 NLRC4 和 NOD2 感知信号 NLRP3 炎性体 NLRP3 炎性体是目前发现配体数最多的炎性体 它的配体包括多种细菌 病毒 真菌 寄生虫及其毒素和细胞内的危险信号 激活 NLRP3 炎性体的配体还包括 :(1) 晶体, 如尿酸钠晶体 (MSU) 焦磷酸钙晶体 (CPPD) 胆固醇 脂肪酸 石棉 二氧化硅以及明矾 ;(2) 蛋白, 如淀粉样蛋白 ;(3) 半抗原 ;(4) 某些种类的抗体 ;(5) 小颗粒 ;(6) 紫外 [21] 线照射 配体的不同决定了激活机制的不同, 目前有以下 3 种假说 :(1) ATP 通过激活 P2X 7 非选择性阳离子通道, 钾离子外流, 传递外源性的活化物进入胞浆识别 NLPR3, 激活炎性体 有报道称,pannexin-1 被 P2X 7 激活导致钾离子外流, 但是最近一 [22] 项研究显示 pannexin-1 缺陷的巨噬细胞在 ATP 和几个 NLRP3 配体的刺激下也能通过 Caspase-1 激活 IL-1β [23], 需进一步研究 (2) 危险信号诱导活性氧 (ROS) 产生, 活化 NLRP3 炎性体 ROS 不仅增加前炎性因子 pro-il-1β IL-6 和 TNF 水平, 而且上

4 744 生理学报 Acta Physiologica Sinica, December 25, 2012, 64(6): 调 NLRP3, 而 NLRP3 正是 NLRP3 炎性体装配的 [24, 25] 前提条件 高氧可促进铜绿假单胞菌生物被膜的产生, 可能抑制 T3SS 的表达, 使铜绿假单胞菌 [26] 毒力发挥受到限制 有研究显示, 细胞 ROS 的 [27, 28] 主要来源线粒体是 NLRP3 炎性体激活所必需的 近期的一项研究显示, 抑制 ROS 阻碍 NLRP3 表达上调,ROS 是装配 NLRP3 所需, 但并不是激活炎 [29] 性体所必需的 石棉和硅等颗粒吸入后被肺巨噬细胞吞噬过程中由 NAPDH 氧化酶催化反应产生大 [30] 量 ROS 自由基, 触发 NLRP3 炎性体活化 在氧化应激状态下, 缺乏刺激物会妨碍人硫氧还蛋白相互作用蛋白 (TXNIP) 与 NLRP3 结合及产生 NLRP3 [31] 炎性体 但是, 这种理论受到了挑战,Masters 等不能通过实验证实 TXNIP 和 NLRP3 炎性体介导 IL-1β 产生, 因此 ROS 活化 NLRP3 炎性体的机制 [32] 需要进一步澄清 (3) 溶酶体破裂 二氧化硅 MSU 被吞噬细胞吞噬后可引起溶酶体酸化和肿胀破裂, 释放活化物至胞浆, 通过组织蛋白酶介导的途径活化 NLRP3 炎性体 溶酶体损伤释放组织蛋白酶 B 是 NLRP3 炎性体活化最重要的上游信号通路, 抑制溶酶体组织蛋白酶 B 可导致二氧化硅诱导 [33] 的 NLRP3 炎性体激活水平下降 钾离子外流是最常见的炎性体激活机制, 钾离子从细胞质迅速外流是 ATP 等信号激活 NALP3 炎性体所必需的 有研究推测 MSU 激活 NLRP3 的机 [34] 制是降低细胞内钾离子水平 金黄色葡萄球菌和单核细胞增多症李斯特菌含有的毒素能在宿主细胞胞膜上形成孔隙, 导致钾离子外流, 从而直接或间接影响 NLRP3 炎性体的活化 但仅有钾离子外流不足以激活 Caspase-1, 提示钾离子外流不是 [35] NLRP3 介导的激活 Caspase-1 的直接信号 最新研究,B 群链球菌的 β- 溶血素可激活 NLRP3 [36] 总之, 在不同种类 水平的配体作用下, 多条细胞通路参与激活 调节 NLRP3 炎性体 NLRC4 炎性体激活 NLRC4 炎性体形成的病原微生物限于细 [37] 菌, 主要是一些革兰氏阴性菌, 如鼠伤寒沙门杆菌 嗜肺性军团病杆菌 铜绿假单胞菌 耶尔森菌 志贺菌 转染纯化的鞭毛进入骨髓来源的巨噬细胞后, 可活化 NLRC4 炎性体, 并激活 Caspase-1 [38] 单核细胞增多症李斯特菌属已被证实通过鞭毛感应激活 NLRC4 [39] 军团菌感染时,NLRC4 炎性体激 [40] 活需要 NAIP5 协助识别鞭毛蛋白 C 端 耶尔森 菌的 T3SS 同时激活了 NLRC4 和 NLRP3 炎性体, [41] 其中 NLRP3 在细菌清除中并不起作用 然而 Suzuki 等报道, 无鞭毛的弗志贺菌也能活化 NLRC4 [42] 炎性体, 提示除鞭毛外, 还存在可活化 NLRC4 炎性体的其它因子 NLRC4 能够通过鞭毛蛋白的一个序列探测到 T3SS 的核心组成部分棒状蛋白, 而这个棒状蛋白是 NLRC4 的拮抗剂 细菌鞭毛蛋白的胞内运输需要功能性细菌分泌系统, 鼠伤寒沙门杆菌 弗氏痢疾杆菌和铜绿假单胞菌为 T3SS 嗜肺性军团病杆菌为 IV 型分泌系统 (T4SS) 现在有学者认为细菌 T3SS 或 T4SS 诱导细胞膜的孔道形成, 进而介导毒力因子进入宿主细胞浆激活 NLRC4 炎性体, 而鞭毛还可能通过其粘附作用增强细菌 [43] T3SS 或 T4SS 依赖的 NLRC4 炎性体的活化 AIM2 炎性体激活 AIM2 炎性体的病原体包括弗朗西斯土拉 [44] [45] 热杆菌 单核细胞增多性李斯特菌和一些 [46] dsdna 病毒如鼠巨细胞病毒和牛痘病毒 Sauer [47] 等的研究显示宿主体内李斯特菌自溶所释放的 DNA, 可作为激活 AIM2 炎性体的直接配体, 促发炎性体组装 而氧化还原反应不调节 AIM2 炎性体 [48] 激活 2.2 NLRs 与炎性体的负调控炎性体启动了炎症介质的活化和释放 IL-1β 是急性炎症反应的关键细胞因子之一, 可引起炎症反应, 更重要的是它能同时诱导 IL-6 IL-8 TNF-α 等多种促炎细胞因子和粘附分子 趋化因子的表达 适当的炎症反应对清除病原微生物是有利的, 尽管 IL-1β 的产生对于病理性感染的控制非常重要, 但产生过量的细胞因子却对机体有害甚至致命的, 所以其分泌和释放过程受到高度控制 Caspase-1 的活化是启动 IL-1β IL-8 IL-33 等重要促炎细胞因子产生及分泌的关键步骤, 而 Caspase-1 的活性又受到炎性体的精确调控 因此, 炎性体的激活在炎症反应的初始应答过程中起着至关重要的作用, 必须严格调节 目前已鉴定出多个炎性体的负调控子, 它们能够阻断炎性体的装配和 Caspase-1 的活化, 干扰 [49] IL-1β 形成蛋白质 根据结构差别可分为两类 : 一类通过 CARD-CARD 作用, 负向调控 IL-1β 的产生 ; 另一类通过 PYD-PYD 作用, 干扰 ASC 和 NLRPs 间的作用 Caspase-1 活性的发挥也可受到多种负调控因子

5 刘安楠等 : 炎性体在炎症反应中的调节作用 745 的调控,Caspase-12 以及一些包含 CARD 结构域的分子能通过与 Caspase-1 直接结合而抑制其激活 Caspase-12 是 Caspase-1 主要的负性调节因子, 能 [50] 延缓脓毒性感染患者的炎症反应 细胞内的一些蛋白, 可作为 Caspase-1 的伪底物而抑制 Caspase-1 [51] 对其他底物的切割 此外, 抗凋亡蛋白 Bcl-2 和 Bcl-xL 能够与 NLRP1 相互作用, 竞争性抑制 [52] NLRP1 炎性体依赖的 Caspase-1 活性 细胞的自我吞噬可能会降解炎性体从而抑制 Caspase-1 的活 [53] 化 NLRP2 蛋白能与 Caspase-1 竞争与 ASC 结合, 是 NLRP3-ASC 相互作用的拮抗剂 巨噬细胞中的 NLRP2 能够减弱 LPS TNF-α 或 IL-1β 作用下 NF-κB 通路的反应强度,NLRP2 的抑制能够显著增强 LPS 刺激引起的粘附分子 ICAM-1 的表达, 但另一方面,NLRP2 的 PYD 结构域还能招募 ASC, 从而引发 Caspase-1 的成熟, 提高 LPS 刺激下 IL-1β 的表达, 因此 NLRP2 在固有免疫中扮演了双重角色, 在抑制 NF-κB 活性的同时能增强 IL-1β 反应 NLRP7 也具有抑制 LPS 刺激后的 IL-1β 生成的功能 但与 NLRP2 不同的是,NLRP7 对 NF-κB 激活没有作用, 而是通过抑制 pro-caspase-1 和 pro-il-1β 的激活过程, 抑制 ASC 介导的 IL-1β 的释放 NLRP10 能竞争性结合 ASC 分子来调节 Caspase-1 活性 另外,pyrin 能够与 ASC 的 PYD 结构域发生作用, 负向调节 Caspase-1 活性,pyrin 也能利用 SPRY 结构域与 NLRP3 和 pro-caspase-1 结合抑制 Caspase-1 活性, 从而调节 Caspase-1 的免疫功能 NLRP12 在控制炎症反应中有负调节作用, 可以抑 [54] 制 NF-κB 的激活 NLRP12 可以通过与 TRAF6 和 TRAF2 的作用, 抑制 LPS 和 TNF-α 引起的 NF-κB 通路活化 有学者认为,NLRC5 对 NF-κB 和 I 型 IFN 信号通路起负向调节作用,NLRC5 直 [55] 接与 IKKα 和 IKKβ 作用, 抑制其磷酸化 但是, 在两项其他研究中,NF-κB 激活并不受 NLRC5 影 [56, 57] 响, 需进一步探讨 最新研究显示,rhs 基因这种在革兰氏阴性细菌中广泛传播的合成基因依赖炎性体使宿主分泌 IL-1β 和 IL-18 增加 ; 应用感染铜绿假单胞菌的小鼠急性肺炎模型的观察结果显示,rhs 的缺乏与 IL-18 水平降低, 招募相对较少的白细胞, 肺部细菌载量的下降和小鼠存活增加是相 [58] 关的 研究显示, 脓毒症患者外周血单个核细胞中 pro-caspase-1 和活化的 Caspase-1 水平均明显降低, 产生 IL-1β 的能力受损, 且阻断 Caspase-1 后 IL-1β [59] 的释放明显受到抑制 炎性体及其活化的 Caspase-1 等可能成为有效的调节靶点, 在保证抗感染能力的前提下使炎症反应限制在适度范围内将对炎症性疾病的预后产生有利的影响 3 炎性体的生物学作用目前研究比较清楚的炎性体有 NLRP1 炎性体 NLRP3 炎性体 NLRC4 炎性体和 AIM2 炎性体, 其他的炎性体如 NLRP2 NLRP6 IFI16 等, 生物学作用尚不明确 3.1 NLRP1 炎性体 ( 也称为 NALP1 炎性体 ) NLRP1 炎性体由 NLRP1 ASC pro-caspase-1 和 pro-caspase-5 构成 NLRP1 蛋白在多种细胞中低表达, 在免疫 T 细胞和朗格汉斯细胞内高表达 人类 NLRP1 可与 pro-caspase-1 直接结合来招募炎性体的其他组分活化 Caspase-1 鼠类 NLRP1b( 小鼠 NLRP1 三种功能性等位基因中的一种 ) 直接招募无活性的 Caspase-1, 起始炎性体的组装及活化 当 MDP 刺激时,NLRP1b 以一种独立于 ASC 的方式激活 Caspase-1 NLRP1b 装配两种不同功能的炎性体, 一种为无 ASC 的炎性体可以诱导 pyroptosis ; 另一种含有 ASC 的炎性体对细胞因子进行加 [60] 工 3.2 NLRP3 炎性体 ( 也称为 NALP3 或 Cryopyrin 炎性体 ) NLRP3 炎性体由 NLRP3 ASC Caspase-1 和 cardinal 蛋白构成, 可识别多种病原体 PAMPs 及内源性危险信号 NLRP3 主要表达于嗜中性粒细胞 单核巨噬细胞和一些初级免疫细胞中, 主要分布在细胞间质及细胞膜中 NLRP3 / 小鼠吸入石棉后肺 [61] 部炎性细胞浸润明显减弱, 细胞因子也显著降低, 表明 NLRP3 炎性体是识别这些配体及诱发慢性炎症反应的关键 NLRP3 炎性体能够检测到内源性分子的定位错误 例如,ATP MSU 和 CPPD 是正常的细胞质成分, 如果处于细胞外环境中,NLRP3 炎性体可以感知这些信号的刺激, 通过炎症因子的分泌来修补损伤组织 同样, 如果细胞外的胆固醇结晶 透明质酸盐 淀粉样蛋白 β 进入细胞内, 相似的炎症反应也将启动 3.3 NLRC4 炎性体 ( 也称为 IPAF 或 CARD12 炎性体 ) NLRC4 炎性体由 NLRC4 Caspase-1 NAIP5

6 746 生理学报 Acta Physiologica Sinica, December 25, 2012, 64(6): 和 ASC 组成 NLRC4 炎性体中 ASC 的功能是负反 [62] 馈调节, 并有利于细胞因子加工 成熟 IL-1β 的分泌要依靠 NLRC4 与 ASC 的相互作用,ASC 对 NLRC4 炎性体的稳定性起重要作用 一些胞内病原体感染巨噬细胞可快速地引起 Caspase-1 活化及细胞因子释放, 而 NLRC4 基因缺失的巨噬细胞感染上述病原体后则不产生应答反应 在宿主抵御有鞭毛的机会性致病菌过程中, [63] NLRC4 炎性体起到重要的保护作用 铜绿假单胞菌的无鞭毛变种菌系 PAK-fliC 仍然可以依赖 NLRC4 途径活化 Caspase-1 [64] NLRC4 可以和其他胞内 NLR 家族成员相互作 [65] 用,Wu 等的研究显示李斯特菌感染巨噬细胞时, NLRC4 炎性体活化后可激活 NLRP3 和 AIM2 炎性体, 并加强 Caspase-1 的激活, 推测 NLRP3 和 AIM2 炎性体是 NLRC4 炎性体的下游机制, 各炎性信号途径之间存在相互关联 NLRC4 炎性体的激活可不依赖 NAIP5 的参与,NAIP5 激活则需要 NLRC4 参与 3.4 AIM2 炎性体 ( 也称为 PYHIN4 炎性体 ) AIM2 炎性体由 AIM2 pro-caspase-1 和 ASC 组成 AIM2 不仅是胞内 DNA 传感器, 也是重要的抗微生物传感器, 在抗细菌及病毒免疫中发挥重 [66] 要作用 AIM2 可识别各种生物的 dsdna, 包括哺乳动物细胞, 推测 AIM2 可能与自身免疫性疾病有关 3.5 其他炎性体 NLRP2 炎性体 :NLRP2 广泛表达于组织和肿瘤细胞系中,NLRP2 转染进入巨噬细胞后能与 ASC 协同促进 Caspase-1 活化及 IL-1β 的分泌释放 NLRP6 炎性体 :NLRP6 的重要功能是预防结肠内炎症诱导的肿瘤, 并可能限制炎症细胞因子的异常产生 NLRP6 炎性体能够防止结肠炎和结肠直 [13, 67] 肠癌的进展 NLRP6 也可控制肠道微生物的构 [13] 成, 防止结肠被有害的 能诱导炎症的细菌定植, [68] NLRP6 缺陷的动物易患肿瘤 不应用 NLRs 作为传感器的炎性体已经证实的有三个, 包括 AIM2 炎性体 干扰素 γ 诱导蛋白 16 (IFI16) 炎性体和 RIG-I 炎性体 与 NLRs 相似, AIM2 炎性体和 IFI16 炎性体的 PYD 间接地通过 ASC 招募 pro-caspase-1 人类感染病毒时,IFI16 [69] 可诱导炎性体装配, 然而其在细菌感染中起的作用尚不明确 IFI16 炎性体可以检测到外源性 ds- DNA, 它定位于细胞核, 适用于监测病毒 RLR 家族中最先发现的成员 RIG-I 是病毒 RNA 的细胞 [70] 质传感器, 是重要的炎性体装配蛋白 RIG-I 与含有 CARD 的线粒体抗病毒信号蛋白 MAVS 相互作用, 重新定位在线粒体 当 RNA 病毒感染时, [71] RIG-I 能触发 NF-κB 和 IRF 信号通路 4 炎性体与 pyroptosis 当宿主细胞受到病原微生物的侵袭或内源性危险信号刺激时, 宿主细胞会发生 Caspase-1 依赖性的 不同于细胞凋亡的死亡, 表现为细胞膜发生破裂并释放促炎性细胞内容物, 这种死亡方式被命名为 pyroptosis [72] 各种炎性体之间相对独立, 却共同参与 pyroptosis 的促炎作用 NLRP1 NLRP3 NLRC4 和 AIM2 炎性体均可诱发单核 / 巨噬细胞 pyroptosis, 推测其他 NLRs 也可引起 pyroptosis [73] Miao 等的实验证明,pyroptosis 是固有免疫防御机制 Pyroptosis 启动机体对感染的防御, 一方面, 细胞崩解将入侵病原暴露于胞外环境, 被中性粒细胞吞噬后通过 ROS 信号途径清除 ; 另一方面, 细胞崩解破坏了病原菌生存繁殖的微环境, 有效地移除了受感染的细胞 因此,pyroptosis 在一定条件下可发挥机体保护作用 细菌特别是能够侵入宿主细胞的细菌, 通过多 [74] 种机制控制宿主细胞死亡 Pyroptosis 伴随着 IL-1β 和 IL-18 的释放 DNA 的切割以及细胞核的凝集, 但与细胞凋亡不同的是, 细胞核仍然维持完整性 Pyroptosis 已在多种细胞内外病原微生物感染单核巨噬细胞, 树突状细胞等的研究中得到证实 弗氏志贺菌 沙门氏杆菌 李斯特杆菌 铜绿假单胞菌 弗朗西斯氏菌属 嗜肺性军团杆菌以及耶尔森杆菌均可诱导巨噬细胞产生 Caspase-1 依赖的细胞死亡方式 Pyroptosis 通常能在短时间内使被感染的细胞胞膜穿孔破裂, 含有 IL-1β 和 IL-18 等炎性因子的胞浆释放至组织间隙, 激活邻近细胞的相 [75] 应受体, 从而引起更大范围的免疫反应 宿主细胞死亡对病原菌是有益的, 细菌病原体可以诱导被感染的宿主死亡以便于细菌高效地脱离宿主细胞, 传播到相邻的细胞, 逃避免疫细胞和获取营养 Caspase-1 介导的炎症反应与 pyroptosis 是相互联系的, 随着炎性体刺激的增加,pyroptosis 的程度随之加重, 而 pyroptosis 释放的细胞内容物又进一步促进了炎症反应的发展 有学者认为细胞的生

7 刘安楠等 : 炎性体在炎症反应中的调节作用 747 存或是死亡是由 Caspase-1 激活的水平控制的, 当 Caspase-1 被高水平激活时, 它会引起细胞死亡, 并释放炎性细胞内容物, 激活免疫反应 ; 而低水平激活的 Caspase-1 则能够刺激细胞存活反应, 控制 [76] 细胞内细菌生长, 调控炎症因子的产生 Caspase-1 活化的强度不够或数量较少时, 导致胞膜孔径直径过小或数目过少不足以引发细胞渗透性改变进而细胞崩解 ; 而炎性体形成局部的 Caspase-1 活化中心等信号途径可带来足够的孔径诱发 pyroptosis 对 pyroptosis 在宿主防御和疾病病因方面的作用以及明确调节 pyroptosis 的分子机制的研究可以为炎症治疗提供新的方向 5 结语和展望炎性体在固有免疫中起着极为重要的作用 NLRs 家族多个成员参与构建炎性体, 诱导 Caspase-1 活化, 发挥关键性作用 近年来, 对 NLRs 结构 功能的认识, 使我们对哺乳动物宿主识别微生物的机制有了更深入的了解 尽管在炎性体的组成 调控方面的研究取得了一些进展, 但该领域的研究仍是早期阶段, 许多炎性体激活的具体机制仍不清楚, 关于炎性体组装及活化的具体细节有待进一步研究 对其阐明将有助于理解 Caspase-1 活化及 IL-1β IL-18 等炎性细胞因子释放的复杂机制, 有利于理解炎症疾病发病机制, 将能通过干预炎性体相关通路指导疾病的预防及早期治疗 为拓展炎症及感染性疾病的治疗途径提供理论依据, 具有广阔的临床应用前景 参考文献 11 Mariathasan S, Monack DM. Inflammasome adaptors and sensors: intracellular regulators of infection and inflammation. Nat Rev Immunol 2007; 7(1): Pan MM, Sun TY, Zhang HS. Expression of Toll-like receptors on CD14+ monocytes from patients with chronic obstructive pulmonary disease and smokers. Natl Med J Chin ( 中华医学杂志 ) 2008; 88(30): (Chinese, English abstract). 33 Schroder K, Tschopp J. The inflammasomes. Cell 2010; 140(6): Ting JP, Lovering RC, Alnemri ES, Bertin J, Boss JM, Davis BK, Flavell RA, Girardin SE, Godzik A, Harton JA, Hoffman HM, Hugot JP, Inohara N, Mackenzie A, Maltais LJ, Nunez G, Ogura Y, Otten LA, Philpott D, Reed JC, Reith W, Schreiber S, Steimle V, Ward PA. The NLR gene family: a standard nomenclature. Immunity 2008; 28(3): Tattoli l, Carneiro LA, Jehanno M, Magalhaes JG, Shu Y, Philpott DJ, Arnoult D, Girardin SE. NLRX1 is a mitochondrial NOD-like receptor that amplifies NF-κB and JNK pathways by inducing reactive oxygen species production. EMBO Rep 2008; 9(3): Watanabe T, Asano N, Fichtner-Feigl S, Gorelick PL, Tsuji Y, Matsumoto Y, Chiba T, Fuss IJ, Kitani A, Strober W. NOD1 contributes to mouse host defense against Helicobacter pylori via induction of type I IFN and activation of the ISGF3 signaling pathway. J Clin Invest 2010; 120(5): Clarke TB, Davis KM, Lysenko ES, Zhou AY, Yu Y, Weiser JN. Recognition of peptidoglycan from the microbiota by Nod1 enhances systemic innate immunity. Nat Med 2010; 16(2): Silva GK, Gutierrez FR, Guedes PM, Horta CV, Cunha LD, Mineo TW, Santiago-Silva J, Kobayashi KS, Flavell RA, Silva JS, Zamboni DS. Cutting edge: nucleotide-binding oligomerization domain 1-dependent responses account for murine resistance against Trypanosoma cruzi infection. J Immunol 2010; 184(3): Davis BK, Roberts RA, Huang MT, Willingham SB, Conti BJ, Brickey WJ, Barker BR, Kwan M, Taxman DJ, Accavitti-Loper MA, Duncan JA, Ting JP. Cutting edge: NLRC5- dependent activation of the inflammasome. J Immunol 2011; 186(3): Kumar H, Pandey S, Zou J, Kumagai Y, Takahashi K, Akira S, Kawai T. NLRC5 deficiency does not influence cytokine induction by virus and bacteria infections. J Immunol 2011; 186(2): Magalhaes JG, Sorbara MT, Girardin SE, Philpott DJ. What 12 is new with Nods? Curr Opin Immunol 2011; 23(1): Abdul-Sater AA, Said-Sadier N, Lam VM, Singh B, Petten- gill MA, Soares F, Tattoli I, Lipinski S, Girardin SE, Rosenstiel P, Ojcius DM. Enhancement of reactive oxygen species production and chlamydial infection by the mito - chondrial Nod-like family member NLRX1. J Biol Chem 2010; 285(53): Elinav E, Strowig T, Kau AL, Henao-Mejia J, Thaiss CA, Booth CJ, Peaper DR, Bertin J, Eisenbarth SC, Gordon JI, Flavell RA. NLRP6 inflammasome regulates colonic microbial ecology and risk for colitis. Cell 2011; 145(5): Bryan NB, Dorfleutner A, Rojanasakul Y, Stehlik C. Activa- tion of inflammasomes requires intracellular redistribution of the apoptotic speck-like protein containing a Caspase recruitment domain. J Immunol 2009; 182(5): Yazdi AS, Guarda G, D Ombrain MC, Drexler SK. Inflam- matory Caspases in innate imunity and inflammation. J Innate Immun 2010; 2(3):

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