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        NLRP3炎性體與腎臟疾病

        2011-07-01 21:59:07徐玲玲綜述楊俊偉審校
        腎臟病與透析腎移植雜志 2011年6期
        關(guān)鍵詞:小鼠

        徐玲玲 綜述 楊俊偉 審校

        ·腎臟病基礎(chǔ)·

        NLRP3炎性體與腎臟疾病

        徐玲玲 綜述 楊俊偉 審校

        炎性體(inflammasomes)是一類通過活化半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶1(caspase-1)來間接調(diào)控白細(xì)胞介素1β(IL-1β)與IL-18的成熟和分泌的蛋白復(fù)合體。除了作為機(jī)體固有免疫及應(yīng)激系統(tǒng)的重要防御成分,炎性體還參與了多種疾病如動脈粥樣硬化、糖尿病、淀粉樣變性及其他自身免疫性疾病的發(fā)生和進(jìn)展。近年來,炎性體在腎臟病中的作用備受關(guān)注,且隨著研究的深入,其作用機(jī)制也逐漸明確。本文重點(diǎn)討論炎性體的基本概念、調(diào)控機(jī)制及其與腎臟疾病發(fā)生發(fā)展的關(guān)系。

        腎臟疾病 炎性體 半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶1 白細(xì)胞介素

        作為宿主抵抗病原體感染的第一道防線,固有免疫通過模式識別受體(pattern-recognition receptors,PRRs)來識別病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMPs),激活下游信號通路,引發(fā)機(jī)體的炎癥反應(yīng)及免疫應(yīng)答。PRRs主要包括:RIG樣解旋酶受體(RIG-like helicases,RLHs)、Toll樣受體(Toll-like receptors,TLRs)和核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域(nucleotide binding oligomerization domain,NOD)樣受體(NOD-like receptors,NLRs),其中NLRs屬于胞內(nèi)感應(yīng)分子。部分NLRs不但可識別PAMPs,還可識別損傷相關(guān)的分子模式(damage-associated molecular patterns,DAMPs),這樣在細(xì)胞感染或應(yīng)激的狀態(tài)下均可被激活,形成一組由多個蛋白組成的分子平臺,該分子平臺進(jìn)而活化半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶1(caspase-1),調(diào)節(jié)促炎癥因子如白介素1β(IL-1β)及IL-18的成熟和分泌,參與機(jī)體固有免疫系統(tǒng)的防御體系及疾病的發(fā)生與發(fā)展[1]。

        炎性體的構(gòu)成

        NLRs基因家族由22個人類基因、35個小鼠基因及數(shù)百種植物基因組成。NLRs蛋白在結(jié)構(gòu)上主要有以下特征:(1)位于中間的核苷酸結(jié)合和寡聚物形成區(qū)域(nucleotide-binding and oligomerization domain,NACTH),是唯一一個所有NLRs家族成員都具有的結(jié)構(gòu),通過三磷酸腺苷(ATP)介導(dǎo)的寡聚化激活信號復(fù)合物;(2)氨基端為熱蛋白結(jié)構(gòu)域(pyrin domain,PYD)或caspase募集區(qū)域(caspase recruitment domain,CARD),可調(diào)節(jié)同型蛋白之間的相互作用;(3)羧基端含有亮氨酸富集重復(fù)序列(leucine-rich repeats,LRRs),具有自我調(diào)節(jié)及作為配體感受器的功能(圖1)[2]。

        根據(jù)NACTH結(jié)構(gòu)域的不同,可將NLRs分為三個亞類:即NODs、白介素轉(zhuǎn)化酶(interleukin—converting enzyme,ICE)激活因子(ICE protease—activating factor,IPAF)和NLRPs(NACHT,LRR and PYD domains-containing protein)(圖1)。目前所知的能形成炎性體的蛋白主要有NLRP3、IPAF-1(NLRC4)、NLRP1及黑素瘤缺乏因子2(absent in melanoma2,AIM-2)。NLRC4炎性體可被細(xì)菌的鞭毛蛋白和包含3、4型分泌系統(tǒng)的細(xì)菌(如沙門菌屬和銅綠假單胞菌)激活;NLRP1炎性體可被炭疽桿菌毒素和胞壁酰二肽肽多糖激活;AIM2屬于干擾素誘導(dǎo)蛋白200(hematopoietic interferon-inducible nuclear protein with 200-amino acids repeat,HIN-200)家族,包含HIN和PYD結(jié)構(gòu)域,在宿主抗病毒防御中可通過與DNA結(jié)合而激活、發(fā)揮DNA受體作用,并對單核細(xì)胞增生利斯特菌做出應(yīng)答[3]。

        圖1 人類NLRs家庭成員及其結(jié)構(gòu)域示意圖[2]

        目前,針對上述炎性體與無菌性炎癥及腎臟疾病關(guān)系的研究較少。近期有研究表明與對照組相比,穩(wěn)定表達(dá)AIM2的胚胎腎293細(xì)胞對胞質(zhì)中的DNA更為敏感且更容易活化炎性體[4]。而免疫細(xì)胞中缺乏AIM2的小鼠對狼瘡易感性增加。但也有研究者發(fā)現(xiàn),狼瘡性腎炎患者與正常人群的腎臟AIM2基因的表達(dá)并無明顯差異[5]。故除了NLRP3炎性體,其他炎性體在無菌性炎癥和腎臟疾病中的作用尚不明確。NLRP3炎癥復(fù)合物是目前研究最為清楚的炎癥復(fù)合物,NLRP3是由位于染色體1q44上NLRP3基因編碼的蛋白,包含1 016個氨基酸[6],其PYD結(jié)構(gòu)域可與凋亡相關(guān)的斑點(diǎn)樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD,ASC)的同型蛋白相互作用,通過銜接蛋白ASC來募集caspase-1。NLRP3蛋白、ASC及caspase-1共同組成一個蛋白復(fù)合物,即NLRP3炎性體(圖2)[7]。我們下面重點(diǎn)討論NLRP3炎性體的活化及其在腎臟疾病中所起的作用。

        圖2 NLRP3炎癥體的構(gòu)成及活化[7]

        NLRP3炎性體的活化

        正常情況下,NLRP3有自我調(diào)節(jié)的作用,但當(dāng)存在NLRP3激動劑時(shí),它可寡聚化并募集ASC,繼而活化caspase-1。NLRP3炎性體的激活主要有3種方式:(1)細(xì)胞外的ATP結(jié)合細(xì)胞膜表面的嘌呤受體P2X7,導(dǎo)致鉀離子外流、銜接P2X7受體的pannexin-1孔開放,胞外的NLRP3激動劑(如PAMPs)通過開放的pannexin-1孔進(jìn)入胞質(zhì),直接作用并激活NLRP3炎性體[8];(2)晶體或微粒(如尿酸單鈉、二氧化硅、石棉及淀粉樣蛋白等)被細(xì)胞吞入,導(dǎo)致溶酶體破裂,溶酶體成分如溶酶體蛋白酶類(組織蛋白酶 B)釋放至胞質(zhì)后,被炎性體所識別[9],故抑制溶酶體蛋白酶的活性可有效阻止炎性體的活化[10];(3)所有細(xì)菌、病毒、ATP、微粒或晶體等炎性體的激動劑,均可刺激細(xì)胞產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species,ROS),進(jìn)而激活NLRP3炎性體[11]。NLRP3炎性體活化后可激活caspase-1。根據(jù)引起相應(yīng)細(xì)胞事件的不同可將caspase分為促炎癥型和促細(xì)胞凋亡型,caspase-1屬于促炎癥型,以IL-1β和IL-18前體作為底物,通過蛋白裂解方式使該因子以成熟的形式釋放至胞外發(fā)揮生物學(xué)作用(圖2)。

        與NLRP3炎性體活化相關(guān)的疾病

        盡管NLRP3炎性體-caspase-1-IL-1β/IL-18軸在抵抗病原體侵襲的過程中發(fā)揮極其重要的作用,然而,一旦該過程的調(diào)控出現(xiàn)紊亂,則必然會出現(xiàn)與之相關(guān)的炎癥反應(yīng)和組織損傷。目前炎性體在自身免疫性疾病、無菌性炎癥和慢性炎癥反應(yīng)等病理過程中的作用及意義備受關(guān)注。許多疾病均涉及NLRP3炎性體-caspase-1-IL-1β/IL-18軸的激活,如Cryoprin相關(guān)周期綜合征、動脈粥樣硬化、痛風(fēng)及糖尿病等。

        Cryoprin相關(guān)周期綜合征是NLRP3基因突變導(dǎo)致的一組罕見的自身免疫性疾病,以回歸熱和異常炎癥反應(yīng)為特征,包括Muckle-Wells綜合征、家族性寒冷自身炎癥綜合征、慢性幼兒神經(jīng)和皮膚關(guān)節(jié)綜合征。IL-1拮抗劑可用于Cryoprin相關(guān)周期綜合征患者的治療[12]。在發(fā)生類似基因突變的小鼠中,NLRP3炎性體高度活化,體內(nèi)IL-1β水平也明顯增加。IL-1受體拮抗劑基因的隱性突變,可使患者IL-1受體(IL-1R)拮抗劑分泌減少,并對IL-1β應(yīng)答增高。IL-1R拮抗劑——阿那白滯素可明顯改善患者的臨床癥狀[13]。

        動脈粥樣硬化是脂肪、膽固醇結(jié)晶沉積導(dǎo)致動脈壁增厚的一種炎癥性紊亂。在動脈斑塊局部,IL-1β和IL-1R的表達(dá)明顯增多,且表達(dá)的水平與疾病的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。患者血清中IL-18的水平與動脈粥樣硬化引起的死亡率明顯相關(guān)[14]。近年的研究發(fā)現(xiàn)膽固醇結(jié)晶可促進(jìn)NLRP3炎性體活化,進(jìn)而加大了成熟IL-1β和IL-18的釋放[15]。

        痛風(fēng)與血尿酸增高及尿酸單鈉沉積關(guān)節(jié)所造成的炎癥反應(yīng)有關(guān)。目前認(rèn)為尿酸單鈉或鈣磷結(jié)晶激活NLRP3炎性體是造成痛風(fēng)與假痛風(fēng)的核心機(jī)制[16]。臨床上,使用IL-1β抑制劑或IL-1R阻斷劑均可改善這類結(jié)晶相關(guān)性關(guān)節(jié)炎的臨床癥狀[17]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),二氧化硅微粒、石棉、淀粉樣蛋白或瘧原蟲色素均可激活NLRP3炎性體,誘導(dǎo)IL-1β的釋放和誘發(fā)相應(yīng)的臨床疾?。ㄈ缥危?8]、石棉肺[19]、阿爾茨海默?。?0]及瘧疾[21])。

        2型糖尿病是一組以代謝紊亂為表現(xiàn)的臨床綜合征。代謝應(yīng)激及高血糖可激活NLRP3炎性體,促使IL-1β分泌,而IL-1β水平的增加是2型糖尿病進(jìn)展及胰島素抵抗的重要危險(xiǎn)因素[22]。在IL-1β缺陷的小鼠中,胰腺β細(xì)胞的增生和胰島素分泌功能明顯增強(qiáng),IL-1R阻斷劑可以刺激胰島素分泌并改善胰島β細(xì)胞的存活[23]。

        與腎臟疾病的關(guān)系

        研究表明,健康人腎臟的遠(yuǎn)曲小管和集合管穩(wěn)定表達(dá)IL-18、caspase-1以及嘌呤受體P2X7[24],在各種感染或非感染性疾病中,腎組織caspase-1、IL-18、IL-1β表達(dá)水平上調(diào),表明炎性體激活可能在腎臟疾病的病理過程中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。

        NLRP3炎性體與急性腎損傷 急性腎小管壞死(acute tubular necrosis,ATN)是急性腎損傷的重要病理改變。缺血-再灌注損傷或毒物誘導(dǎo)(藥物或放射線造影劑)均可導(dǎo)致ATN。在缺血誘導(dǎo)的急性腎衰竭(acute renal failure,ARF)中,腎組織IL-1β和IL-18表達(dá)明顯上調(diào)[25];caspase-1抑制劑明顯改善缺血后ARF小鼠的腎臟結(jié)構(gòu)和功能損傷;caspase-1缺陷小鼠對缺血造成的ARF不敏感,這與腎臟中成熟IL-18產(chǎn)生減少密切相關(guān);敲除NLRP3能降低小鼠的死亡率、減緩腎功能衰竭以及減少中性粒細(xì)胞的浸潤。這些數(shù)據(jù)均提示抑制NLRP3炎性體可以減少急性腎臟炎癥和組織損傷[26]。

        順鉑誘導(dǎo)的小鼠ARF腎臟中,IL-1β、IL-18、IL-6表達(dá)明顯增加,順鉑介導(dǎo)的腎臟損傷與以上細(xì)胞因子的增加及腎臟中性粒細(xì)胞浸潤相關(guān)[27]。caspase-1缺陷小鼠的腎損傷明顯輕于對照小鼠[28]。

        在內(nèi)毒素誘導(dǎo)的小鼠ARF模型中,注射內(nèi)毒素組小鼠腎臟中caspase-1、IL-18、IL-1β的表達(dá)明顯高于對照組;caspase-1缺陷小鼠的腎小球?yàn)V過率較野生型小鼠明顯改善[29]。上述研究均提示在急性腎損傷過程中,NLRP3炎性體-caspase-1-IL-1β/IL-18軸發(fā)揮了重要作用。

        NLRP3炎性體與慢性腎臟病 眾多動物模型和人類的慢性腎臟病均涉及炎性體調(diào)節(jié)細(xì)胞因子(如IL-1β、IL-18)的形成[24]。體外研究發(fā)現(xiàn)IL-1β或IL-18可呈劑量依賴性的誘導(dǎo)腎小管上皮細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化(epithelial-myofibroblast transition,EMT)[30],表明炎性體在慢性腎臟病發(fā)生發(fā)展中亦發(fā)揮重要作用。

        單側(cè)輸尿管梗阻(unilateral ureteric obstruction,UUO)小鼠模型是研究腎間質(zhì)纖維化常用的動物模型。在UUO小鼠腎組織中可見IL-1β、IL-18和caspase-1的表達(dá)增加;NLRP3基因敲除的小鼠UUO后腎組織中capase-1活性減低,IL-1β和IL-18的生成減少,同時(shí)腎小管損傷、間質(zhì)纖維化及炎癥浸潤程度均較野生型小鼠明顯減輕[31];予IL-18拮抗劑則可緩解UUO小鼠的腎損傷及纖維化。在腎損傷過程中,損傷及壞死組織釋放DAMPs如ROS、胞外ATP、尿酸、核酸和細(xì)胞外基質(zhì)成分(透明質(zhì)酸、二聚糖等),進(jìn)而活化NLRP3炎性體。壞死細(xì)胞線粒體碎片ATP通過P2X7受體活化NLRP3炎性體[32],與野生小鼠相比,P2X7敲除小鼠在UUO后顯示小管損傷減輕和炎癥、纖維化減輕;而二聚糖這種細(xì)胞外基質(zhì)蛋白則可通過依賴ROS的方式激活NLRP3炎性體,由此促使caspase-1介導(dǎo)的IL-1β的成熟和分泌,缺乏二聚糖的小鼠在UUO后則顯示其腎臟、肺、循環(huán)中caspase-1的活性與IL-1β的表達(dá)減少,且結(jié)構(gòu)及功能不易受到損傷[33]。

        糖尿病腎病是導(dǎo)致終末期腎病的主要原因之一,其確切的發(fā)病機(jī)制不明,目前認(rèn)為除了受代謝、遺傳、血流動力學(xué)、氧化應(yīng)激及炎癥等多種因素影響外,NLRP3炎性體的激活也參與了糖尿病腎病的病理過程。在糖尿病腎病動物模型中,腎臟中IL-1的表達(dá)增加,與近端小管上皮細(xì)胞產(chǎn)生透明質(zhì)酸增多急切相關(guān),并導(dǎo)致了血管上皮細(xì)胞的滲透性增加;腎小管上皮細(xì)胞固有表達(dá)IL-18,而糖尿病腎病患者的血IL-18水平升高、尿IL-18排泄增加,患者血、尿中IL-18的濃度與尿白蛋白排泄率及尿β2微球蛋白的排泄率有直接且密切的相關(guān)性[34];同時(shí)IL-18的升高可作為2型糖尿病患者早期腎損傷的標(biāo)志及決定因素之一。

        此外,非糖尿病腎病患者腎組織中NLRP3 mRNA的表達(dá)水平與患者腎功能明確相關(guān)。在狼瘡性腎炎小鼠模型中,抑制NLRP3炎性體活化可預(yù)防狼瘡性腎炎的進(jìn)展。狼瘡性腎炎患者的血清IL-1β和IL-18水平明顯增加,而且與疾病的活動及嚴(yán)重程度呈正相關(guān),因此,這三個指標(biāo)的變化可評估狼瘡性腎炎的活動性[35]。

        小結(jié):NLRP3炎性體可識別大量細(xì)菌、病毒及一些內(nèi)源性信號,激活caspase-1進(jìn)而促使IL-1β、 IL-18的產(chǎn)生和分泌。大量研究結(jié)果證實(shí)了NLRP3炎性體-caspase-1-IL-1β/IL-18軸在腎臟急性或慢性損傷中的作用。阻止病理性炎性體的激活應(yīng)是未來治療腎臟病的一種重要手段。

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        NLRP3 inflammasomes and kidney diseases

        XU Ling-ling,YANG Jun-wei
        Institution:Center For Kidney Diseases,2ndAffiliated Hospital of Nanjing Medical University,Nanjing 210003,China

        Inflammasomes are a class of protein complexeswhich are characterized by regulating thematuration of proinflammatory cytokines including interleukin-1β(IL-1β)and interleukin-18(IL-18)through activation of caspase-1.As part of the innate immune and stress defense system,inflammasomes are thought to be involved in the progression of multiple diseases such as atherosclerosis,diabetes,amyloidosis and many other autoimmune disorders.Recently,there is a significant research progress on inflammasomes in kidney diseases.In this review,the relationship between inflammasomes and kidney diseases is discussed.

        kidney disease inflammasome caspase-1 interleukin

        2011-08-22

        (本文編輯 律 舟)

        南京醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院腎臟病中心(南京,210003)

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