肾脏疾病中炎性小体的最新研究进展102.docx
《肾脏疾病中炎性小体的最新研究进展102.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《肾脏疾病中炎性小体的最新研究进展102.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
肾脏疾病中炎性小体的最新研究进展102
肾脏疾病中炎性小体的最新研究进展
摘要
炎症是肾脏对感染性和非感染性刺激所产生的普遍性反应。
肾脏炎症总是和固有免疫有关。
固有免疫系统的感应性受体，通过诱导细胞活化、促炎细胞因子和趋化因子的分泌以完成肾脏细胞对各种危险刺激信号的整合，并且转化为肾脏的炎症反应。
一个称为“炎性小体”的多分子组装体严格控制和协调这一过程。
新的研究成果显示，NLR基因可以整合各种危险信号到caspase-1活化平台，调控pro-IL-1ß和pro-IL-18的加工和分泌，使其成为成熟和有活性的细胞因子。
相关研究证实炎性小体-caspase-1-IL-1ß/IL-18轴可以导致肾脏的急慢性炎症和组织重构，也证实了这条固有免疫途径可以作为一个极有吸引力的治疗靶点。
本文我们将综述肾脏疾病中炎性小体的信号通路以及炎性小体在急性和慢性肾脏疾病病理变化中所起的作用。
关键词:
肾脏疾病，炎性小体，信号通路，病理变化
引言
几乎在所有的肾脏疾病中都有由于细胞因子的表达和免疫细胞的浸润而导致的肾脏炎症反应。
肾脏炎症总是和固有免疫有关。
固有免疫系统能够识别“病原相关分子模式”（pathogenassociatedmolecularpatterns，PAMPs）的微生物分子，启动的炎症反应对自身防御和感染清除具有至关重要的作用。
除了对微生物产物的敏感，固有免疫系统也能够识别促进炎症反应的内源性“危险”分子和“危险相关分子模式”（dangerassociatedmolecularpatterns,DAMPs）。
这些DAMPs包括损伤或者死亡细胞的产物如三磷酸腺苷（ATP）和尿酸盐结晶，以及外源性的环境因素如石棉和紫外线照射。
1DAMPs主要引起组织或者创口的无菌性炎症反应。
这两种分子模式的识别是由一些数量有限的被称为“模式识别受体”（patternrecognitionreceptors,PRRs）的特异性受体识别的。
2PRRs识别后启动胞内信号通路的活化，生成抗微生物分子和促炎细胞因子如IL-6、TNF-α、IL-1β和IFN。
PRRs主要包括五类膜和胞内Toll样受体（TLRs），3胞浆NOD样受体（NLRs）,4C型凝集素受体（CLRs），5视黄酸诱导基因-I样蛋白（retinoicacidinduciblegene-I（RIG-I）-likeproteins，RLRs）,6以及AIM2样受体（ALRs）。
7
当感染或者损伤引起大范围的破坏时，PRRs能够引起急性炎症反应。
通常情况下这会将其清除，同时修复损伤的组织。
然而如果不能有效的控制，这些非控制性的炎症信号将对机体不利。
在肾脏病学领域中危险信号的识别仅在最近才开始被关注，8而且免疫系统是如何在各种肾脏疾病中将这种危险信号转化成感染性和非感染性的炎症信号的机制仍然不清楚。
在这里重点关注NLR基因家族是如何将细胞内的多种蛋白水解复合物转变为所谓的炎性小体，9-11以及后者在急、慢性肾脏疾病中可能具有的生物学作用。
1.炎性小体的信号通路
NLR家族及PHYIN蛋白的激活启动了一系列分子的组装，形成“炎症小体”，最终活化caspase-1。
这些包括NLRs（NLRP1、NLRP3、NLRP6和NLRC4）,PHYIN家族蛋白AIM2和IFI16。
在大多数情况下，caspase-1的募集和活化由连接蛋白ASC促进，最终形成“炎症小体”。
ASC是22kDa的蛋白质，包含N端的PYD和C端的CARD区域。
12,13Caspase-1活化后加工IL-1β和IL-18的生成。
14
NLRs的结构域包括N端的效应区域，中心的核苷酸集合区域（NBD或者NACHT）以及C端富含亮氨酸的重复序列（LRRs）。
15N端的效应区域被用来对NLRs进行亚型分类。
除了激活“炎症小体”外，NLRs还能引起一种特定类型的细胞死亡被称为“pyroptosis”，所以它连接了固有免疫和细胞死亡信号。
Figure1.Humaninflammasome-relatedgenes.
NLRP（核苷酸关联寡聚化结构域，富含亮氨酸和热蛋白结构域）的子家族包含14种蛋白质，它们都具有保守的N末端PYD结构域和常见的NACHT以及大量反复的亮氨酸序列（图1）。
在被活化的过程
当中，NLRP蛋白通过将其同型分子间寡聚体化以及募集PYD-CARD适应蛋白、ASC、caspase-1蛋白激酶共同构成的蛋白复合物称之为炎性小体（图2）。
10,11与一些cascades下游固有的受体例如TLRs或者其他的NLR成员例如NOD1/2的典型的信号通路所不同的是，炎性小
Figure2.SimplifiedmodelofNLRP3structureandactivation.
体所参与的通路是caspase-1活化平台。
Caspase-1是一种炎性的半胱天冬酶，其在细胞凋亡中并不起主要作用。
然而，具有活性的caspase-1可以使许多细胞内载体物质开始加工成熟，其中就包括细胞因子IL-1ß和IL-18。
16,17成熟的IL-1ß和IL-18的产生包含了两个步骤：
前细胞因子分裂之后通过诱导NF-KBmRNA的表达再次翻译为前细胞因子形式（信号1）以及释放成熟的和有活性的细胞因子（信号2）。
11,18只有后者需要直接依赖于炎性小体（图3）。
Figure3.Howpatternrecognitionreceptorsinduceinnateimmunity.
以IL-1ß为例，caspase-1可以将35-KD大小的前体IL-1ß分裂开使其成熟，并且分泌大小为17-KD的该细胞因子。
其他一些酶类同样可以在caspase-1基因缺失小鼠中分裂这些细胞因子前体，但是这些酶是否可以促使免疫细胞分泌IL-1ß和IL-18以及机制还不清楚。
19,20Caspase-1有超过40种的细胞内基底载体。
16除了可以生产细胞因子之外，炎性小体还可以介导一种炎性的细胞死亡方式称之为“pyroptosis”，并且也参与了一些细胞活动进程，例如糖酵解。
16,21炎性的细胞死亡目前仅在巨噬细胞中有报道，炎性小体参与了程序性细胞死亡中的基底膜的完整性缺失过程，与细胞凋亡不同的是，它伴随着IL-1ß和IL-18的分泌。
21,22
由于对炎性小体的研究开展不久，因此我们对NLRP和炎性小体的生物学活性的了解也很有限。
最近的研究证实许多不同的微生物、非微生物甚至是细胞内的刺激都可激活炎性小体（表1）。
也有研究
表明炎性小体是感受细胞内应激和损伤的共同最终通路。
同样，炎性
小体-capase-1-IL-1ß/IL-18轴参与到多种疾病的进程中（表2）。
因此，炎性小体也极有可能参与了感染性或非感染性肾脏疾病的炎症反应。
1.1NLRP3
目前研究最多的炎性小体是NLRP3，它最早是在巨噬细胞和树突状细胞中被各种刺激所激活和表达。
10,11上文提到的，信号1主要是促进IL-1β前体的生成，而信号2是激活NLRP3，见图4。
但现在研究发现信号l产生需要NLRP3mRNA表达上调。
23典型的活化是促发NLRP3的寡聚化，然后形成加工IL-1β成熟的炎症小体。
寡聚化是ATP依赖的过程，由ATP与NLRP3中NACHT区域结合而介导。
NACHT结构域具有ATP酶活性。
24每个细胞形成一个NLRP3炎症小体。
25由于NLRP3缺乏CARD结构域，所以caspase-1的募集与活化是由连接蛋白ASC促进的。
NLRP3与ASC结构中同型的区域PYD发生相互作用。
随后ASC中的CARD结构域募集caspase-1前体，导致其自动切割和活化。
26,27事实上，体外实验表明异常表达NLRP3和ASC能够激活caspase-1有关。
27Caspase-1的活化引起IL-1β和IL-18前体的切割与成熟，形成具有生物活性的形式（图4）。
最近，Zhou和他的同事们28研究发现NLRP3的最终共同信号通路与氧化应激和硫氧化还
图4.Theactivationofinflammasome
原相关蛋白（TXNIP）有关。
正常状态下，TXNIP是处于抗氧化状态，位于硫氧化还原蛋白中。
在氧化应激状态下，TXNIP从硫氧化还原蛋白中释放出来并且激活NLRP3。
因为许多使NLRP3激活的刺激物与ROS的生成有关，因此这一发现使两者能够在理论上统一起来。
除了上述的这些模型，还有几种分子信号和细胞内事件对于NLRP3炎性小体的活化来说是必须具备的条件。
不需要任何刺激物细胞内钾离子的流出就可以激活NLRP3炎性小体。
29机体受到白色念珠菌或疟原虫感染后，酪氨酸激酶和淋巴细胞为NLRP3炎性小体的活化
提供了最理想的条件。
30,31CARD9、磷酸肌醇3激酶以及脾脏酪氨酸激酶下游信号通路的细胞外信号调节酶似乎不但能够诱导pro-IL-1ß的表达也可以对暴露于病原体之后的ASC和caspase-1直接起作用。
最近的研究显示细胞内事件的发生除了需要转录和翻译一些炎性小体底物基质例如IL-1ß和IL-18，也需要诱导NLRP3的表达，因为这是炎性小体聚集和活化的必要条件。
32
NLRP3的异常活化与一些疾病有关，特征表现是IL-1β的异常产生。
这些疾病包括家族性寒冷自身免疫综合征（familialcoldautoinflammatorysyndrome，FCAS），Muckle-Wells综合征（MWS）和新生儿发作多系统炎症疾病（NOMIID）。
33对于这些病理影响，显然需要使用IL-1β抑制剂治疗。
1.2其他炎性小体
其他一些已知的能够组成炎性小体的蛋白包括NLR、,NLRP1、NLRC4（Ipaf-1）以及人体干扰素诱导蛋白AIM2（图1）。
12NLRC4对细菌的鞭毛以及沙门氏菌和假铜绿单胞菌较为敏感。
38NLRC4可以在没有ASC的情况下直接通过CARD-CARD连接体激活caspase-1。
39，40NLRP1包含一个PYD结构域和C末端CARD结构域，因此可以直接与caspase-1和caspase-5产生联系。
22NLRP1炎性小体可以被炭疽杆菌芽孢以及细胞壁肽聚糖所激活（表格1）。
41另外，AIM2并不属于NLR家族。
AIM2与ASC和caspase-1一起形成一个DNA感应的炎性小体，可以调节细胞因子的生成和细胞死亡的进程。
42-45与NLRP3不同的是，AIM2是一种可以被DNA结合并被激活的受体。
AIM2参与了宿主的抗病毒反应以及李斯特菌属以及弗朗西斯菌属有关。
46-49AIM2的研究对于我们认识ASC和caspase-1有关的非NLR家族的炎性小体有着很重要的意义。
这些炎性小体在非微生物引起的炎症以及肾脏疾病中所起的作用还不是十分清楚。
在体外实验中已知NLRs中的NLRP2和NLRP12与ASC和caspase-1有关，但是这些现象的生物学意义以及这些NLRs是否可以形成真正意义上的炎性小体仍有待证实。
50.51
1.3疾病中的炎性小体-caspase-1-IL-1ß/IL-18轴
几种人类的自发炎症综合症与炎性小体或者IL-1相关基因的变种有关。
（表格2）Muckle-Wells综合症，家族性自发冷性炎症综合症以及慢性婴儿骨皮肤综合症都与NLRP3基因的各种功能突变有关。
34-36IL-1R拮抗剂缺乏综合症同样与循环中IL-1ß水平升高有关。
37尽管上述的这些疾病与肾脏并没有直接关系，但是NLRP3或IL-1在肾脏病理中所起的作用应该引起我们重视。
IL-1在上述疾病中的病理作用目前已研究的比较透彻，主要是在临床上运用IL-1拮抗剂可缓解相关症状。
IL-1阻断剂也部分运用于几种遗传性或先天性疾病的治疗中，但是炎性小体是直接还是间接参与其中的机制仍不清楚（表2）。
近来发现一组结晶相关疾病的病理改变与NLRP3所介导的IL-1ß/IL-18的分泌有关。
尿酸和钙磷酸盐结晶可以激活NLRP3炎性小体，这一机制目前被认为在痛风和假性痛风中是极其重要的环节。
38IL-1拮抗剂可以迅速地缓解这种关节病的临床症状。
39,40在体外和动物体内实验中均发现NLRP3炎性小体可以识别诸如二氧化硅、石棉、胆固醇、淀粉体、疟原虫色素等结晶，并转化为IL-1ß的释放，矽肺病、41,42石棉肺、42动脉粥样硬化、43阿尔茨海默病、44疟疾30,45都被证明与此有关。
我们很想了解在肾脏结晶或微粒性疾病例如肾结石、肾脏淀粉样变性、胆固醇代谢综合征及横纹肌溶解等病中是否有着相同的发病机制。
在缺氧和高血糖情况下，ROS的生成是另一个NLRP3活化的刺激物。
28,46
总而言之，在感染性疾病和非感染性疾病中，炎性小体-caspase-1-IL-1ß/IL-18轴普遍存在于免疫系统的细胞应激信号传输中。
2.肾脏疾病中炎性小体的作用
2.1肾脏中NLR基因的表达
肾脏细胞和肾脏疾病中的炎性小体相关基因的表达目前还知之甚少。
图5展示了在人类和老鼠固有器官包括肾脏中NLR基因所对应的mRNA的表达情况。
46值得注意的是，除了NLRP2和NLRP10,人类肾脏中炎性小体相关分子的mRNA表达水平要远低于脾脏。
与之相反的是，在6周龄的C57BL/6小鼠中，除了神经元凋亡抑制蛋白和NLRP3，肾脏中绝大多数的NLR基因的表达是要远高于脾脏的。
（图5）以上这些数据说明在正常健康状态下，炎性小体的表达是有着种群特异性的。
我们知道促炎性细胞因子和TLR拮抗剂均能强烈诱导炎性小体相关基因的表达，10但是在肾脏哪些细胞可以功能性地表达炎性小体还不清楚。
一些研究证实小管上皮细胞可能分泌IL-1ß和IL-18，47因此我们需要进一步地研究caspase-1-IL-1ß/IL-18轴所有的必要元素。
Figure5.mRNAexpressionofinflammasome-relatedmoleculesinsolidorgansofhumansandmice.
2.2慢性肾脏病中炎性小体的生物学作用
在慢性肾脏病动物模型和人类慢性肾脏病中都有炎性小体调节细胞因子IL-1ß和IL-18的参与（表3）。
首先，在剂量依赖性关系下IL-1ß和IL-18可以诱导小管上皮细胞产生间叶组织标记物。
48,49IL-18和caspase-1在人肾小管上皮中表达，在慢性肾脏病和肾病综合症患者中IL-18表达明显升高。
50-53在UUO模型老鼠中，IL-18同样有着中和阻止肾损伤和纤维化的作用。
54
肾小管细胞损伤可以由多种因素造成，例如缺血、梗阻、免疫性损伤等，最终可导致细胞内释放激活NLRP3炎性小体的物质。
36在肾损伤中细胞可释放多种激活NLRP3炎性小体的DAMPs,包括ROS、细胞外ATP、尿酸以及细胞外基质成分等。
56,28,38,57-59这些情况已经在慢性进展性肾脏病动物模型UUO模型中得到了证实。
60在坏死细胞线粒体碎片中的ATP可以通过P2X7受体激活NLRP3炎性小体。
61,62,57与此相一致，UUO术后的P2X7基因敲除小鼠与对照组小鼠相比，小管损伤和炎症反应及纤维化程度都得到了不同程度的减轻。
63
在慢性肾脏病中，还有一些细胞内因素包括细胞外基质组成成分二聚糖、透明质酸等也可以激活NLRP3炎性小体。
58,59以透明质酸为例，缺乏这种细胞外基质蛋白的老鼠在UUO术后可以减轻肾脏所受到的损害。
59近来相关研究已经证实了在慢性肾脏病中NLRP3炎性小体的作用。
如UUO术后14天内小鼠的炎性小体标志物的活性（包括IL-1ß和IL-18，caspase-1）大大提高，NLRP3基因缺失小鼠在UUO模型中表现出肾小管损伤和炎症程度的明显减轻。
在非糖尿病肾病患者的肾活检结果中显示编码NLRP3的mRNA水平和肾功能呈正相关态势，这些都说明NLRP3在慢性肾脏疾病病理进程中起着重要的作用。
64
2.3炎性小体在急性肾损伤中的生物学作用
急性小管硬化（ATN）是急性肾损伤形成的最常见原因。
导致ATN的急性肾小管损伤可由多种非微生物刺激所诱导，例如缺血再灌注损伤以及药物和射线损伤等。
ATN的产生同时伴随着单核细胞，巨噬细胞和中性粒细胞等被募集到肾脏的炎症反应，这对肾脏十分不利并且会加剧肾损伤。
65,66在人类急性损伤和动物模型中的许多研究都发现IL-1ß和IL-18水平有着明显的升高。
这些模型包括缺血再灌注损伤、啮齿类动物中的顺铂毒性小管损伤67-70以及重症ATN患者尿样等。
71在啮齿类动物急性肾衰竭模型中我们发现，caspase-1缺失小鼠往往表现出较轻微的肾损伤，从而更加有力地证实了炎性小体在急性损伤中的作用。
67,69近来Iyer和他的同事62证实了在小鼠急性缺血再灌注肾损伤模型中NLRP3炎性小体和ASC的作用。
结语
NLRs和炎性小体可以介导并参与各种由细菌引起的和非细菌引起的疾病。
各种急慢性肾脏疾病中的ROS，ATP，尿酸，胆固醇等结晶的释放和生产与该病的严重程度呈正相关，并且可以激活之前提到的信号通路。
今后我们的研究将要定位NLR和炎性小体信号通路在肾脏细胞以及动物疾病模型中所扮演的角色；运用基因敲除小鼠可以研究更多的炎性小体相关蛋白质；研究人类肾活检标本可以观测到肾脏中炎性小体组分暂时性地表达情况，从而可以使我们更好地判断病情和预后情况；而IL-1R拮抗剂和抗IL-1抗体经过测试或许可以作为调节肾脏疾病的标准药物，而这些可以最终证实炎性小体-caspase-1-IL-1ß/IL-18轴在肾脏疾病中的作用。
所以我们这项研究不仅可以在科研方面取得卓有成效的进展，而且可以为临床上肾脏疾病患者提供一种新颖的具有特异性地治疗方案。
参考文献
1.ChenGY,NuñezG.2010.Sterileinflammation:
sensingandreactingtodamage.NatRevImmunol10:
826–837.
2.HoebeK,JanssenE,BeutlerB.2004.Theinterfacebetweeninnateandadaptiveimmunity.NatImmunol5:
971–974.
3.TakedaK,AkiraS.2005.Toll-likereceptorsininnateimmunity.IntImmunol17:
1–14.
4.YeZ,TingJP.2008.NLR,thenucleotide-bindingdomainleucine-richrepeatcontaininggenefamily.CurrOpinImmunol20:
3–9
5.OsorioF,ReiseSousaC.2011.MyeloidC-typelectinreceptorsinpathogenrecognitionandhostdefense.Immunity34:
651–664.
6.YoneyamaM,OnomotoK,FujitaT.2008.CytoplasmicrecognitionofRNA.AdvDrugDelivRev60:
841–846
7.KeatingSE,BaranM,BowieAG.2011.CytosolicDNAsensorsregulatingtypeIinterferoninduction.TrendsImmunol32:
574–581
8.AndersHJ:
Toll-likereceptorsanddangersignalinginkidneyinjury.JAmSocNephrol21:
1270–1274,2010
9.TingJP,LoveringRC,AlnemriES,BertinJ,BossJM,DavisBK,FlavellRA,GirardinSE,GodzikA,HartonJA,HoffmanHM,HugotJP,InoharaN,MackenzieA,MaltaisLJ,NunezG,OguraY,OttenLA,PhilpottD,ReedJC,ReithW,SchreiberS,SteimleV,WardPA:
TheNLRgenefamily:
Astandardnomenclature.Immunity28:
285–287,2008
10.SchroderK,TschoppJ:
Theinflammasomes.Cell140:
821–832,2010
11.MartinonF,MayorA,TschoppJ:
Theinflammasomes:
Guardiansofthebody.AnnuRevImmunol27:
229–265,2009
12.MasumotoJ,TaniguchiS,AyukawaK,SarvothamH,KishinoT,NiikawaN,HidakaE,KatsuyamaT,HiguchiT,SagaraJ.1999.ASC,anovel22-kDaprotein,aggregatesduringapoptosisofhumanpromyelocyticleukemiaHL-60cells.JBiolChem274:
33835–33838.
13.ConwayKE,McConnellBB,BowringCE,DonaldCD,WarrenST,VertinoPM.2000.TMS1,anovelproapoptoticcaspaserecruitmentdomainprotein,isatargetofmethylation-inducedgenesilencinginhumanbreastcancers.CancerRes60:
6236–6242.
14.RockKL,LatzE,OntiverosF,KonoH.2010.Thesterileinflammatoryresponse.AnnuRevImmunol28:
321–342
15.GeddesBJ,WangL,HuangWJ,LavelleeM,ManjiGA,BrownM,JurmanM,CaoJ,MorgensternJ,MerriamS,GlucksmannMA,DiStefanoPS,BertinJ.2001.HumanCARD12isanovelCED4/Apaf-1familymemberthatinducesapoptosis.BiochemBiophysResCommun
284:
77–82.
16.ShaoW,YeretssianG,DoironK,HussainSN,SalehM:
Thecaspase-1digestomeidentifiestheglycolysispathwayasatargetduringinfectionandsepticshock.JBiolChem282:
36321–36329,2007
17.MartinonF,TschoppJ:
Infl
升级会员 