曹 旭，賈朝霞，劉 浩，王 靜，劉開(kāi)揚(yáng)

長(zhǎng)期以來(lái)，由于各種原因使得機(jī)體被感染而產(chǎn)生炎癥后導(dǎo)致全身多器官衰竭的問(wèn)題一直困擾著臨床工作者。而炎癥的產(chǎn)生與炎性小體有密切聯(lián)系。其中NLRP3炎性小體作為眾多炎性小體中的一種，廣泛參與多種病毒引起的炎癥反應(yīng)。各種病毒感染宿主細(xì)胞時(shí)，不同炎性小體的激活是宿主抗病原體感染所必需的。宿主受病原體刺激后能誘導(dǎo)NLRP3炎性小體的組裝與活化，隨后激活半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1(caspase-1)，處在活化狀態(tài)的caspase-1誘導(dǎo)下游相應(yīng)促炎因子的剪切、成熟與分泌，進(jìn)而參與炎癥的發(fā)生發(fā)展。臨床上促使炎癥發(fā)生的致炎因子有多種，包含生物性因子(如細(xì)菌、病毒、真菌等)、物理性因子(如高溫、低溫、放射性物質(zhì)及紫外線等)、化學(xué)性因子(如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等)、異物(如碎屑、塵埃顆粒及手術(shù)縫線等)、壞死組織等[1]。其中，生物性因子中的病毒感染越來(lái)越多，如HIV感染最終導(dǎo)致全身免疫系統(tǒng)被攻擊，機(jī)體進(jìn)行免疫預(yù)防及免疫清除的能力明顯下降，機(jī)體由于無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和清除病原體的入侵而造成嚴(yán)重感染以及腫瘤發(fā)生率明顯增加。過(guò)去的10年，NLRP3炎性小體作為一個(gè)非常關(guān)鍵的先天免疫成分在協(xié)調(diào)宿主免疫穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮的作用不容小覷。因此，深入研究病毒感染時(shí)NLRP3炎性小體的激活途徑和調(diào)控機(jī)制，對(duì)于我們從根本上阻止病毒入侵、復(fù)制，進(jìn)而控制炎癥的發(fā)生發(fā)展至關(guān)重要。

1 NLRP3炎性小體的結(jié)構(gòu)

NLRP3炎性小體是由NLRP3蛋白、凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(ASC)以及pro-caspase-1組成的復(fù)合物。其中，NLRP3蛋白由C端的亮氨酸重復(fù)序列(LRR)、N端的效應(yīng)結(jié)構(gòu)域以及中間段的核苷酸寡聚化結(jié)構(gòu)域(NACTH)組成，且各部分都有其相應(yīng)的功能，比如C端的亮氨酸重復(fù)序列能識(shí)別病原微生物及內(nèi)源性的危險(xiǎn)信號(hào)；N端的效應(yīng)結(jié)構(gòu)域主要包括熱蛋白結(jié)構(gòu)域(PYD)、胱天蛋白酶募集結(jié)構(gòu)域(CARD)等，介導(dǎo)了信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程；中間段核苷酸寡聚化結(jié)構(gòu)域促使NLR寡聚化。NLRP3炎性小體中的ASC作為中間部分起到了連接NLRP3和pro-caspase-1的作用，ASC由PYD和CARD兩部分組成，其中PYD能與NLRP3蛋白的PYD相互作用，CARD能招募pro-caspase-1進(jìn)而介導(dǎo)NLRP3激活，形成具有酶活性的caspase-1[2-3]。

2 NLRP3炎性小體的激活

當(dāng)細(xì)胞處于靜息狀態(tài)時(shí)，NLRP3炎性小體的各組成部分以及作用底物都處于一個(gè)極低水平不能被測(cè)及[4]。目前，已發(fā)現(xiàn)NLRP3炎性小體的激活主要包括兩個(gè)過(guò)程,首先是啟動(dòng)過(guò)程：Toll 樣識(shí)別受體(Toll-like receptor，TLR)識(shí)別相應(yīng)配體，啟動(dòng)核因子κB (Nuclear factor kappa-B，NF-κB)介導(dǎo)的信號(hào)通路，誘導(dǎo)pro-IL-1β、pro-IL-18 和NLRP3 的表達(dá)上調(diào)。其次是激活過(guò)程：該過(guò)程由細(xì)胞外ATP、成孔毒素或顆粒物等刺激導(dǎo)致NLRP3炎性小體的組裝、激活以及caspase-1經(jīng)活化后對(duì)下游促炎因子的加工修飾并最終導(dǎo)致其成熟分泌的過(guò)程[5]。在激活過(guò)程中，鉀離子外流、溶酶體破壞、線粒體損傷及活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生是激活NLRP3炎性小體的關(guān)鍵因素。研究發(fā)現(xiàn)，病原相關(guān)分子模式以及損傷相關(guān)分子模式進(jìn)入宿主體能夠促進(jìn)NLRP3炎性小體的活化，如ATP、病原體相關(guān)RNA、晶體或微粒、細(xì)菌毒素及某些疫苗增強(qiáng)劑[6]。然而這些刺激未被證實(shí)直接與NLRP3相互作用，由于其結(jié)構(gòu)和化學(xué)上的差異性，懷疑它們誘導(dǎo)共同的細(xì)胞信號(hào)激活NLRP3炎性小體。目前，這一觀點(diǎn)得到了許多研究者的認(rèn)可[7]。也有研究認(rèn)為在NLRP3炎性小體的活化過(guò)程中，宿主體內(nèi)的某些激酶發(fā)揮了作用，如半胱氨酸激酶，但這一觀點(diǎn)目前尚未達(dá)成共識(shí)[8-9]。最近的研究有了重大進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了一種新的激酶與NLRP3炎性小體激活相關(guān)。NEK7，一種已知參與有絲分裂的絲氨酸激酶，其對(duì)NLRP3炎性小體的激活至關(guān)重要，能特異性的與NLRP3相互作用，且與其他炎性小體無(wú)關(guān)。

3 病毒感染對(duì)NLRP3炎性小體的激活機(jī)制

3.1 病毒RNA介導(dǎo)的激活 研究發(fā)現(xiàn)，盡管DNA病毒的種類多于RNA病毒，但目前導(dǎo)致人類疾病的常見(jiàn)病毒則是RNA病毒。最初就有研究者認(rèn)為，NLRP3炎性小體能被病毒核酸RNA所激活，并介紹了激活的途徑。隨后病毒RNA能激活NLRP3炎性小體這一觀點(diǎn)成為研究者們研究的熱點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，將病毒RNA或其類似物注入到小鼠體內(nèi)或人巨噬細(xì)胞中能激活NLRP3炎性小體[10-11]。如從輪狀病毒中提取的dsRNA能激活NLRP3，從甲型流感病毒(Influenza A Virus，IAV)中提取的ssRNA也能激活NLRP3，進(jìn)而啟動(dòng)由NLRP3介導(dǎo)的炎性小體的激活[12]。另有文獻(xiàn)稱，將雙鏈RNA類似物poly(I：C)注入小鼠體內(nèi)，它能刺激小鼠體內(nèi)IL-1β分泌增加，且這種炎癥反應(yīng)是由NLRP3介導(dǎo)產(chǎn)生的[13]。盡管這些發(fā)現(xiàn)都與NLRP3分子有關(guān)，但病毒RNA并不是與NLRP3直接結(jié)合來(lái)啟動(dòng)炎性小體的活化。其激活過(guò)程為病毒RNA首先被模式識(shí)別受體(TLRs或NLRs)識(shí)別，隨后通過(guò)NF-κB介導(dǎo)的信號(hào)途徑上調(diào)pro-IL-18和pro-IL-1β和NLRP3分子的表達(dá)，然后啟動(dòng)NLRP3炎性小體的激活[14]。RNA活化蛋白激酶(RNA-activated protein kinase, PKR)在該激活過(guò)程中也起到了一定作用。有研究者發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞受到poly(I:C)等多種刺激后，PKR能發(fā)生自磷酸化，直接與NLRP3分子相互作用，進(jìn)而調(diào)節(jié)NLRP3炎性小體的活化，但目前此觀點(diǎn)備受爭(zhēng)議[15]。有研究者稱使用PKR抑制劑2-氨基嘌呤處理小鼠后，小鼠體內(nèi)炎性小體的激活程度減弱，所以相關(guān)研究者認(rèn)為PKR在NLRP3炎性小體的激活中發(fā)揮了一定的作用[16]。然而，另有研究者認(rèn)為PKR在炎性小體的激活中并沒(méi)有發(fā)揮作用。實(shí)驗(yàn)對(duì)PKR缺陷的的雜合子小鼠和PKR缺陷的純合子小鼠同時(shí)用NLRP3的激活劑進(jìn)行刺激，發(fā)現(xiàn)在炎性小體激活方面并無(wú)差異。因此，對(duì)于PKR在NLRP3炎性小體激活中的作用需要進(jìn)一步深入研究[17]。

以上是病毒RNA激活NLRP3炎性小體的主要方式。研究還發(fā)現(xiàn)病毒RNA激活炎性小體的另一種方式。RIG-I(retinoic acid-inducible gene I)即維甲酸誘導(dǎo)基因蛋白I，其屬于維甲酸誘導(dǎo)基因I樣受體家族(RLRs),同樣是一種胞內(nèi)模式識(shí)別受體，具有識(shí)別病毒RNA的作用。其過(guò)程為RIG-I識(shí)別病毒RNA后能與ASC和caspase-1結(jié)合，啟動(dòng)NLRP3炎性小體激活，該途徑并無(wú)NLRP3參與介導(dǎo)[18]。這種激活炎性小體的方式限于某些病毒感染，如水泡性口炎病毒(Vesicular stomatitis virus,VSV)[19]。研究也發(fā)現(xiàn)腦心肌炎病毒(Encephalomyocarditis virus,EMCV)能借助RLRs家族中的另一個(gè)成員黑色素瘤分化相關(guān)抗原5(melanoma differentiation-associated gene 5, MDA5)，作為胞內(nèi)的一種模式識(shí)別受體識(shí)別病毒RNA，通過(guò)激活NF-κB途徑啟動(dòng)依賴NLRP3的炎性小體的活化[20-21]。近期，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)在正常人的支氣管上皮細(xì)胞中RIG-I能與ASC及caspase-1相互作用來(lái)調(diào)節(jié)NLRP3炎性小體活化。該研究還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)RIG-I能在轉(zhuǎn)錄水平上對(duì)NLRP3及促炎因子IL-1β的前體進(jìn)行調(diào)節(jié)，提示RIG-I具有啟動(dòng)和激活炎性小體的雙重作用[22]。然而另有研究表明，在少數(shù)病毒如風(fēng)疹病毒(Rubella virus, RV)感染中，RIG-I辨別RV的RNA后，RIG-I沒(méi)有直接參與炎性小體的活化，其具體的參與機(jī)制有待后續(xù)的探索[23]。

3.2 病毒感染致宿主細(xì)胞狀態(tài)變化介導(dǎo)的激活 病毒感染過(guò)程中會(huì)引起宿主細(xì)胞狀態(tài)發(fā)生一系列變化，如細(xì)胞內(nèi)離子濃度異常、溶酶體破壞和線粒體功能障礙等，這些變化會(huì)被宿主感應(yīng)為危險(xiǎn)信號(hào)進(jìn)而導(dǎo)致NLRP3炎性小體的激活。

細(xì)胞內(nèi)外各種離子保持適當(dāng)?shù)奶荻仁蔷S持宿主細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的前提。如靜息狀態(tài)下，細(xì)胞內(nèi)K+濃度約是胞外K+濃度的30倍，而胞外Na+濃度約是胞內(nèi)Na+濃度的15倍[24]。相反，一旦這種穩(wěn)態(tài)被打破，NLRP3轉(zhuǎn)錄體將感知到危險(xiǎn)信號(hào)，上調(diào)NLRP3炎性小體組分的表達(dá)，隨后組裝激活NLRP3炎性小體。如被熟知的K+外排能激活NLRP3炎性小體事件，在丙型肝炎病毒(Hepatitis C virus，HCV)感染巨噬細(xì)胞中得到了證實(shí)[25]。此外，離子濃度的紊亂會(huì)導(dǎo)致線粒體損傷和 ROS 的產(chǎn)生，從而增強(qiáng) NLRP3 炎性小體的激活[26]。

溶酶體破壞會(huì)導(dǎo)致內(nèi)容物組織蛋白酶B的釋放，隨后誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生，刺激NLRP3炎性小體激活。如腺病毒(Adenovirus,ADV)感染誘導(dǎo)溶酶體破壞和組織蛋白酶B的釋放，從而激活NLRP3炎性小體[27]。IAV感染通過(guò)誘導(dǎo)溶酶體酸化來(lái)激活 NLRP3 炎性小體[28]。此外，NLRP3 炎性體激活也需要 ROS，因?yàn)樵贜ADPH 氧化酶抑制劑或氧清除劑 N-乙酰半胱氨酸存在的情況下觀察到較低水平的 IL-1β[29]。

線粒體損傷也是NLRP3炎性小體激活的關(guān)鍵因素。其同樣誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生促使NLRP3炎性小體激活。一項(xiàng)研究報(bào)道，病毒感染后促使RIP1-RIP3復(fù)合物組裝隨后誘導(dǎo)GTP酶DRP1激活。而DRP1能轉(zhuǎn)移到線粒體調(diào)節(jié)其異常功能和致使線粒體損傷[30]。另有幾項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，多種病毒及RNA類似物激活NLRP3炎性小體都依賴于RIP1-RIP3-DRP1通路。如水皰性口炎病毒(VSV)、仙臺(tái)病毒(Sendai Virus，SeV)、登革熱病毒及poly(I：C)[31]。此外，線粒體抗病毒信號(hào)蛋白(MAVS)在病毒感染的情況下將腫瘤壞死因子受體作用因子3(TRAF3)招募到ASC，泛素化的ASC促進(jìn)NLRP3寡聚，從而增強(qiáng)NLRP3炎癥小體的激活[32]。NLRP3還顯示在病毒感染期間與線粒體融合蛋白2直接相關(guān)[33]。然而，有報(bào)道認(rèn)為，線粒體損傷引起的活性氧對(duì)于激活線粒體內(nèi)的NLRP3不是必需的。相反，由EMCV感染誘導(dǎo)的線粒體膜電位是激活NLRP3 炎性小體所必需的。在適當(dāng)?shù)木€粒體膜電位作用下，NLRP3轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體，與線粒體融合蛋白2結(jié)合,進(jìn)而促使NLRP3炎性小體活化[34]。

病毒感染過(guò)程中，無(wú)論是溶酶體破壞還是線粒體損傷均誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生。由此可見(jiàn)，ROS產(chǎn)生對(duì)NLRP3炎性小體激活起到了一定作用。已有研究證明了有些病毒依賴ROS的產(chǎn)生激活NLRP3炎性小體。如在HCV感染的細(xì)胞中加入ROS的清除劑，發(fā)現(xiàn)NLRP3炎性小體的激活受到抑制，提示ROS對(duì)NLRP3炎性小體的激活起正調(diào)節(jié)作用[35]。而對(duì)于ROS在NLRP3炎性小體激活中的具體作用仍需要探討。

3.3 病毒孔蛋白介導(dǎo)的激活 除上述常見(jiàn)激活機(jī)制外，研究還發(fā)現(xiàn)有少數(shù)病毒能借助孔蛋白激活NLRP3炎性小體。病毒孔蛋白為病毒編碼的離子通道蛋白，可與宿主細(xì)胞膜相互作用形成選擇性離子通道，介導(dǎo)特殊離子(如Na+，K+，Ca2+，Cl-1)的運(yùn)輸，輔助病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞，進(jìn)而激活炎性小體，促進(jìn)炎癥的發(fā)生。如甲型流感病毒(IAV)編碼的質(zhì)子特異性離子通道M2蛋白能促使酸化的高爾基體釋放氫離子，導(dǎo)致高爾基體H+濃度失衡來(lái)啟動(dòng)NLRP3炎性小體的激活[36]。呼吸道合胞病毒(Respiratory syncytial virus,RSV)表達(dá)的SH蛋白能聚集在宿主細(xì)胞高爾基體的脂筏結(jié)構(gòu)中，形成離子通道，進(jìn)而誘導(dǎo)NLRP3從胞質(zhì)移向高爾基體，觸發(fā)炎性小體的激活[37]。腦心肌炎病毒編碼的2B蛋白，定植于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體，能使宿主細(xì)胞細(xì)胞器中的鈣離子濃度下降，進(jìn)而促使NLRP3炎性小體的組裝和IL-1β的分泌。這一結(jié)論已在鼠骨髓來(lái)源的巨噬細(xì)胞中得到證實(shí)。但2B蛋白對(duì)NLRP3炎性小體激活過(guò)程的具體途徑有待進(jìn)一步探索[38]。同樣，近年來(lái)已經(jīng)被證實(shí)的嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒(Severe acute respiratory syndrome coronavirus,SARS-CoV)，其亞基因組RNA編碼的E蛋白能誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)離子濃度失衡以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，進(jìn)而導(dǎo)致NLRP3炎性小體的激活。研究顯示，E蛋白能在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體中間腔或高爾基體膜中形成鈣離子通道，并激活NLRP3炎性小體[39]。

綜上所述，當(dāng)病毒感染時(shí)，NLRP3炎性小體的激活機(jī)制，如圖1所示。

圖1 病毒感染時(shí)NLRP3炎性小體激活路徑模式圖Fig.1 NLRP3 inflammasome activation pathway during viral infection

4 病毒感染負(fù)向調(diào)節(jié)NLRP3炎性小體活化

病毒不僅能通過(guò)編碼相應(yīng)的孔蛋白激活NLRP3炎性小體，然而研究發(fā)現(xiàn)，病毒編碼的非結(jié)構(gòu)蛋白能與炎性小體激活途徑中的關(guān)鍵蛋白直接結(jié)合來(lái)抑制NLRP3炎性小體的激活。如麻疹病毒(Measles virus,MV)編碼的V蛋白能與NLRP3蛋白直接結(jié)合來(lái)抑制NLRP3炎性小體的活化，其機(jī)制可能是通過(guò)阻礙NLRP3炎性復(fù)合體的組裝過(guò)程進(jìn)而抑制了炎性小體的活化。腸道病毒71型(Enterovirus type 71,EV-71)編碼的2A和3C蛋白酶能對(duì)NLRP3蛋白進(jìn)行切割以抑制NLRP3炎性小體的激活[41]。SARS-CoV-2基因組RNA翻譯的非結(jié)構(gòu)蛋白NSP1和NSP13，能顯著抑制NLRP3炎性小體的活化。其機(jī)制可能是通過(guò)下調(diào)NLRP3、ASC、caspase-1和IL-1β等組分的表達(dá)來(lái)干擾NLRP3炎性小體的激活[42]。

病毒感染時(shí)，病毒不僅通過(guò)自身組分干擾NLRP3炎性小體的激活以逃避機(jī)體的免疫應(yīng)答，近期有學(xué)者稱，宿主的線粒體自噬也能抑制NLRP3炎性小體的激活。在自噬系統(tǒng)缺陷的小鼠血清中發(fā)現(xiàn)，IL-18、IL-1β含量明顯升高，表明線粒體自噬對(duì)NLRP3炎性小體起負(fù)調(diào)控作用，因此，病毒感染自噬系統(tǒng)缺陷的小鼠可能更難以逃避機(jī)體的免疫應(yīng)答機(jī)制[43]。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

NLRP3炎性小體的激活對(duì)機(jī)體正常發(fā)揮免疫應(yīng)答，防御病原體入侵至關(guān)重要。一方面，NLRP3炎性小體激活過(guò)程受阻，機(jī)體對(duì)外界病原體的侵襲不能及時(shí)或有效的產(chǎn)生應(yīng)答，病原微生物不能被清除，從而導(dǎo)致機(jī)體感染。另一方面，NLRP3炎性小體過(guò)度激活，機(jī)體產(chǎn)生過(guò)量的炎性因子導(dǎo)致細(xì)胞過(guò)度焦亡以及嚴(yán)重的病理?yè)p傷。大部分的研究顯示，相對(duì)NLRP3炎性小體的抑制機(jī)制而言，其激活更利于機(jī)體免疫功能的正常發(fā)揮，對(duì)宿主具有保護(hù)作用。實(shí)驗(yàn)用IAV感染NLRP3、ASC、caspase-1基因敲除的小鼠，發(fā)現(xiàn)小鼠的死亡率明顯升高。提示NLRP3炎性小體在病毒感染機(jī)體時(shí)發(fā)揮了保護(hù)宿主的作用。

病毒感染與NLRP3炎性小體之間存在復(fù)雜的生物學(xué)關(guān)系。NLRP3分子作為一種病毒炎癥信號(hào)(如病毒RNA或病毒離子孔道蛋白)的識(shí)別受體，在NLRP3炎性小體激活中發(fā)揮重要作用。 宿主細(xì)胞內(nèi)NLRP3蛋白識(shí)別病毒炎癥信號(hào)，誘導(dǎo)炎性復(fù)合體組裝并觸發(fā)其激活，促使下游炎性因子產(chǎn)生，抑制病毒在宿主細(xì)胞內(nèi)繁殖，發(fā)揮抗病毒作用。同時(shí)，病毒也能依賴自身基因組編碼的非結(jié)構(gòu)蛋白，抑制NLRP3炎性小體的組裝及活化，以逃避機(jī)體的免疫應(yīng)答機(jī)制。雖然一些研究已經(jīng)證實(shí)了某些病毒感染時(shí)，能刺激機(jī)體NLRP3炎性小體激活，然而我們對(duì)NLRP3炎性小體參與抗病毒免疫的復(fù)雜機(jī)制以及在激活過(guò)程中是否有其他分子參與還不完全了解。 因此，從分子水平深入研究病毒感染與NLRP3炎性小體之間的復(fù)雜機(jī)制，有利于我們從根本上控制病毒在宿主細(xì)胞中復(fù)制，為臨床抗病毒感染、治療及藥物研發(fā)提供新的策略。

利益沖突：無(wú)

引用本文格式：曹旭，賈朝霞，劉浩，等. 病毒感染與NLRP3炎性小體[J].中國(guó)人獸共患病學(xué)報(bào)，2022，38(5)：458-463. DOI:10.3969/j.issn.1002-2694.2022.00.056