刘　雪　陈丽香　周晓辉

(复旦大学附属公共卫生临床中心,上海201508)



·专题综述·

炎症小体和细胞死亡通路相互关系的研究进展①

刘雪陈丽香②周晓辉

(复旦大学附属公共卫生临床中心,上海201508)

当细胞受到微生物感染、外界压力、损伤或化学药物治疗后，可能导致细胞死亡的发生。细胞死亡包括细胞凋亡(Apoptosis)、程序性坏死(Necroptosis)、细胞自噬(Autophagy)以及最近发现的炎性坏死(Pyroptosis)等四种方式。将要死亡或已经死亡的细胞可释放出细胞质、细胞核、内质网和线粒体等生物分子及化学成分。这些成分可能作为炎症小体(Inflammasome)的激活物，活化炎症小体进而介导炎症反应。反之，最近研究提示炎症小体通路也可能参与调控某种细胞死亡过程(即炎性坏死Pyroptosis)。炎症小体和细胞死亡通路之间的相互作用可能与机体多种疾病的炎症病理过程有密切的关系。本文拟对四种细胞死亡通路与炎症小体通路之间相互作用机制进行一个简要综述。

1炎症小体的简介

天然免疫系统是病原体入侵机体后的第一道防线，对清除病原体和诱导机体产生免疫应答有重要的作用。天然免疫应答由模式识别受体(PRRs)识别病原相关分子模式(PAMPs)启动，诱生多种细胞因子的产生。其中，IL-1β、IL-18、IL-33等是参与炎症天然免疫应答的一类重要促炎细胞因子，其诱生表达首先以前体形式存在，需要进一步的切割成为成熟的活性形式。

炎症小体是模式识别受体激活后形成的一种蛋白质复合物，能够调节caspase-1的活化，促进pro-IL-1β、pro-IL-18、pro-IL-33切割成熟为IL-1β、IL-18、IL-33。目前已知的炎症小体有四种：即NLRP1、NLRP3、NLRP4(IPAF)和AIM2。炎症小体可以被某些病原体(病毒、细菌、真菌)成分激活，也可被危险信号、晶体物质等激活[1]。一般由一种NOD样受体(NLR)家族蛋白(如NLRP1等)或HIN200家族蛋白(如AIM2)识别病原体成分，并与凋亡相关微粒蛋白(CARD、ASC)以及Caspase蛋白酶形成蛋白质复合物，继而对促炎症细胞因子前体pro-IL-1β、pro-IL-18、pro-IL-33切割加工，促进其成熟与分泌。

2细胞死亡的简介

目前研究表明细胞死亡有四种方式，包括：细胞凋亡、程序性坏死、细胞自噬以及炎性坏死(Caspase-1依赖的细胞死亡即Pyroptosis)。它们分别由不同的分子信号通路进行精细的调控，在分化发育、机体稳态维持、应激以及免疫系统功能调节中发挥着举足轻重作用。细胞死亡通路的缺失可能导致机体发育障碍、外周淋巴细胞的增加、自身免疫病或肿瘤发生等。细胞死亡方式不同可导致不同的病理生理结局。对炎症发生而言，细胞凋亡形成凋亡小体并被吞噬细胞吞噬，几乎无细胞内成分释放溢出，因此不发生炎症反应；但程序性坏死、炎性坏死以及自噬所致坏死均会释放出细胞内的物质，其中包括：损伤相关分子模式(DAMPs)、细胞死亡相关的分子模式(CDAMPs)、危险信号分子(Alarmins)以及被感染的吞噬细胞死亡释放的病原相关分子模式(PAMPs)等。这些释放物可与天然免疫炎症细胞因子协同作用，进一步产生天然免疫级联反应[2]。

3炎症小体与细胞死亡通路的相互作用

3.1炎症小体与细胞凋亡的关系细胞凋亡(Apoptosis):细胞凋亡形态特征为细胞体积变小、细胞质密度增加、线粒体膜通透性改变、细胞色素C释放到胞浆、细胞核皱缩，最终形成凋亡小体，随后被吞噬细胞吞噬。

细胞凋亡的调控由细胞膜上死亡受体通路和胞质内线粒体凋亡通路两条通路介导。细胞膜上死亡受体通路是由Fas(CD95)、TNF等死亡受体引发，与相应配体结合后，导致受体发生三聚化而被活化，激活的受体与FADD结合，再与Caspase-8 相互作用使后者被激活，形成死亡诱导信号复合物(DISC)，其后激活一系列的Caspase-3、7等，促进Fas蛋白所在细胞发生凋亡[3]。胞质内线粒体通路是由释放到细胞质的细胞色素C在dATP存在的条件下与凋亡相关因子结合形成多聚体，Caspase-9与其结合形成凋亡体后被激活，其后激活其他Caspase，从而诱导细胞凋亡[4]。膜上死亡受体信号通路与胞质内线粒体通路之间存在交叉。

炎症小体与细胞凋亡：早在2011年，细胞凋亡介导复合物(FADD-caspase-8-cFLIP-RIP1)与炎症小体激活的关系已经成为研究热点，其中研究最多的是caspase-8。Caspase-8是Fas或TNF-α刺激后诱导Apoptosis的一个重要蛋白，可参与到沙门氏菌感染[5]、化疗药物的处理[6]、线粒体损伤[7]、急性青光眼[8]等导致的NLRP3炎症小体的激活过程。其后的许多研究进一步发现：Caspase-8介导Caspase-1的切割从而活化炎症小体并参与天然免疫防御。研究证实这种Caspase-8介导的炎症小体活化可克服鼠疫耶尔森菌YOJ蛋白抑制NF-κB和MAPK信号通路的效应，而在鼠疫耶尔森菌感染的宿主体内诱发炎症反应[9]；Caspase-8还参与调节Dectin-1和CR3促进IL-1β的分泌，对抗白色念珠菌的感染[10]。内质网应激的巨噬细胞产生成熟的IL-1β，也依赖于Caspase-8[11]。李斯特菌感染后，Fas可以介导炎症反应[12]，并且这个过程依赖于Caspase-8[3]。FADD和Caspase-8介导LPS+ATP处理后或肠病原体感染后的NLRP3炎症小体激活，同时Caspase-8参与了这个过程转录水平和翻译水平的调控[13]。

然而也有文献报道Caspase-8抑制炎症小体的激活，因为Caspase-8敲除小鼠比野生型小鼠对LPS诱导的细胞死亡更加敏感，IL-1β的分泌量也增加[14]。

此外，还有研究表明NLRP3炎症小体也能通过ASC促进Caspase-8介导的细胞凋亡[15]。AIM2/ASC参与朗西斯菌感染后Caspase-8依赖性的细胞凋亡[15]。

3.2炎症小体与程序性坏死的关系程序性坏死(Necroptosis):程序性坏死通常在凋亡被抑制的情况下发生，是由化学、物理或生物等刺激因素引起的细胞死亡现象。细胞发生程序性坏死时，可导致细胞变圆、细胞质肿胀、细胞器膨大，并且伴随活性氧(ROS)的产生、线粒体、溶酶体的通透性改变，最终细胞膜破裂和内容物外泄。泄漏的内容物可激活中性粒细胞、树突状细胞和巨噬细胞，促进炎症反应的产生。

程序性坏死可以由细胞凋亡的死亡受体介导，也可由病原识别受体或T细胞受体启动，在凋亡被抑制时可激活下游的受体相互作用蛋白激酶家族的两个重要蛋白RIP1与RIP3，二者相互作用与相互磷酸化，形成坏死复合物(Necrosome)。其中RIP3可招募MLKL蛋白发挥作用[16]。MLKL可以形成三聚体促进Ca+的内流从而发生细胞坏死，也可以促进Na+内流，细胞肿胀发生坏死；同时MLKL还可促进PGAM5的聚集，进而激活下游DRP1蛋白[17],促进下游的ROS产生，最终发生坏死。Nec-1是RIP1小分子抑制蛋白，能特异性阻断Caspase非依赖性细胞死亡，但不影响凋亡的发生。

炎症小体与程序性坏死：RIP3是程序性坏死不可或缺的蛋白，当Caspase-8被抑制时可以促进细胞程序性坏死的发生。RIP3也是控制炎症反应的潜在分子。鼠疫耶尔森感染骨髓树突状细胞(BMDC)后，出现RIP1-caspase-8/RIP3依赖性的Caspase-1的激活，Caspase-8、RIP3双敲除的小鼠表现为对病原的高敏感性，炎症因子分泌减少，细胞死亡增加[18]。然而，也有研究结果显示，Caspase-8也可以抑制LPS诱导NLRP3炎症小体的组装和功能，这是通过RIP1、RIP3及其下游的MLKL、PGAM5实现的[19]。

Smac mimetic是凋亡抑制蛋白(IAP，包括cIAP1、CIAP2、XIAP等)的拮抗剂，处理BMDC/BMDM后可出现成熟的IL-1β。这个过程有NLRP3-Caspase-1炎症小体和Caspase-8的参与，并且依赖于RIP3和活性氧(ROS)[20]。XIAP敲除后，BMDC刺激后，出现细胞死亡增加，IL-1β分泌增加的现象，这与TNF和RIP3的作用密切相关[21]。

Wang等[22]最近发表的研究显示，RNA病毒感染后RIP1-RIP3复合物开始组装，随后GTPase DRP1被激活，随即组装成RIP1-RIP3-DRP1复合物；之后复合物转移到线粒体，导致线粒体损伤和NLRP3炎症小体的激活。值得注意的是，RIP1-RIP3介导坏死的下游效应蛋白MLKL并不参与到这一过程中。

Lukens等[23]发现，PtPn6sin小鼠可以自发地产生炎症症状是由于造血细胞中RIP1调节IL-1α的分泌引起，然而没有出现炎症小体的激活。

3.3炎症小体与细胞自噬的关系细胞自噬(Autophage)：自噬是细胞为了应对自身饥饿，通过溶酶体依赖途径降解胞浆的过程，降解的细胞器和蛋白为细胞存活提供代谢物和能量。细胞自噬是由形成自噬复合物(Autophagosome)引发的[24]，这个过程是由ATG 5、ATG8等基因编码蛋白控制，它们分别参与自噬中类泛素化修饰的过程，形成ATG5-ATG12-ATG16连接系统和ATG8/LC3连接系统[25]。随后自噬复合体与溶酶体融合完成底物的降解。LC3是自噬标志物，自噬形成时，胞浆型LC3即LC3-Ⅰ被酶切降解掉一小段多肽，转变为(自噬体)膜型LC3(即LC3-Ⅱ)，根据LC3-Ⅱ/Ⅰ比值的大小可判断自噬水平的高低。自噬通过调节程序性坏死、炎症反应和适应性免疫反应在许多疾病的发病机理中起着直接或间接的作用。

炎症小体和细胞自噬：有研究表明，高迁移率蛋白(HMGB1)[26]、ω-3游离脂肪酸(DHA)[27]、TLR受体诱导丝氨酸蛋白酶抑制剂(PAI-2)[28]等通过增加自噬和NLRP3的降解来抑制IL-1β的切割成熟；自噬的缺陷诱发单核细胞内线粒体介导的NLRP3炎症小体的激活，因此对IL-1β高分泌有重要作用[29]。然而，也有研究发现参与自噬依赖性分泌的微管相关的蛋白EB也可参与AIM2炎症小体活化过程[30]。NLRP3促进人成骨细胞中尿酸盐结晶的自噬[31]。因此，炎症小体和自噬的关系众说纷纭，尚无定论。

3.4炎性坏死(Pyroptosis)炎性坏死是由Caspase-1或Caspase-11激活炎症小体后诱导产生的一种细胞死亡方式。炎性坏死明显区别于其他细胞死亡方式，主要依赖于炎症小体的活化和Caspase-1活性。Caspase-1除了能活化炎症小体促进IL-1β、IL-18的切割成熟，它也能介导炎性坏死，表现为细胞膜的迅速破裂，胞浆的流出[32]。Pyroptosis发生时，生物化学和形态学的相互影响导致了细胞膜表面小孔的形成，因此可以导致K+的外流、水的内流，导致细胞胀大、细胞膜破裂、胞浆外溢[33]。宿主细胞对抗微生物感染或在肿瘤治疗时会发生Pyroptosis，但是Caspase-1的何种底物参与Pyroptosis执行还不清楚。

炎性坏死促进炎症反应的发生，参与细胞在炎性和病理条件应急下的死亡过程。研究表明，许多种疾病导致NLRP3炎症小体激活后，出现Caspase-1介导的Pyroptosis，比如Ⅱ型糖尿病，阿尔茨海默症[34,35]。巨噬细胞刺激后，白色念珠菌也出现NLRP3炎症小体介导的Pyroptosis，这与它的菌丝无关[36]。有研究者认为，这个过程依赖于Caspase-1自我切割作用[37]；或者与某些细菌自身的TTSS分泌系统、细胞膜表面形成小孔活化了Caspase-1有关[38,39]。因此，这是对抗胞内菌感染的天然免疫反应机制[40]。然而，中性粒细胞中NLRP4炎症小体激活不会出现Pyroptosis，这是由于Caspase-1激活后，中性粒细胞迅速降解的缘故[41]。

军团菌是一种有鞭毛的革兰阴性菌，感染后诱导鞭毛依赖性非经典的炎症小体的激活，其中有caspase-11的参与，随后出现细胞死亡[42]。溶酶体是真核细胞的细胞器，是细胞中的消化器官，有研究发现，溶酶体的破坏也会产生Caspase-1依赖的Pyroptosis[43]。见表1。

4展望和思考

细胞死亡通路与炎症小体的关系是近年来生命科学研究的热点之一。本文对细胞凋亡、程序性坏死、细胞自噬、炎性死亡，四种细胞死亡方式发生与炎症小体之间的相互关系进行了一简要综述。见图1，当然这个领域还存在许多未知问题，也有很多争议存在，需要更加深入的研究和探索。例如细胞因子、趋化因子、脂质和介导细胞死亡的物质在炎症反应和细胞死亡中的相互关系，细胞死亡相关蛋白分子参与炎症反应的具体机制等问题，均还需更进一步的阐明。此领域相关研究的成果必将有助于发现针对炎症病理性疾病的新的药物靶点，改进炎症病理性疾病临床治疗效果。

表1四种细胞死亡方式的比较

Tab.1Comparation of four cell death styles

CelldeathstylesMorphologychangeofcellTheproteincomplexApoptosisShrinkingofcells,cytoplasmicdensityincerased,disruptionofplasmamembraneintegrity,cytochromeCreleased,apoptosisbodiesformedDISC(FADD-caspase-8-cFLIP-RIP1)NecroptosisSwellingofcytoplasmandorganelles,disruptionofplasmamembraneintegrityNecrosome(RIP1-RIP3-MLKL-PGMK5)AutophageCellselfdigestedAutophagosome(Atg12-Atg5-Atg16andAtg8/LC3)PyroptosisCellmembrancedisrupted,cytoplasmspilloverASCspeck(caspase-1orcaspase-11-ASC-caspase-8)

图1　炎症小体和细胞死亡通路相互关系图Fig.1　Interplays between inflammasome and cell death pathway

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[收稿2015-06-17修回2015-07-17]

(编辑倪鹏)

doi:10.3969/j.issn.1000-484X.2016.05.032

作者简介：刘雪(1989年-)，女，主要从事炎症小体与细胞炎性死亡通路相互关系的研究,E-mail: liuxue0605@126.com。通讯作者及指导教师：周晓辉(1973年-)，男，博士，研究员，硕士生导师，主要从事病原体感染与宿主细胞相互作用及感染免疫机制的研究，E-mail: zhouxiaohui@shaphc.org。

中图分类号R392.12

文献标志码A

文章编号1000-484X(2016)05-0739-05

①本文为国家自然科学基金(No.31270217)和上海市自然科学基金 (No.12ZR1426400) 资助项目。

②共同第一作者。