科“炎”直通车丨NLRP3炎性小体激活调控与靶向药物研究综述

炎症反应，是机体应对入侵异物常见的生理、病理活动。其中炎性小体发挥了重要的作用。NOD 样受体热蛋白结构域蛋白 3 (NLRP3) 是其中一种起到关键作用的蛋白。然而其异常的激活也会导致自身炎症性疾病的发生。因此，针对 NLRP3 在炎症反应中被激活和调控的机制研究，对于相关靶向药物的研发具有重要的意义。

    一、NLRP3概述    

 

NOD 样受体热蛋白结构域蛋白 3 (NLRP3) ，是一种应对细胞压力信号的胞质免疫因子。作为NOD样受体家族的一员，通常情况下会在生命体受到感染或炎症时被激活，形成 NLRP3 炎性体 ，诱导细胞凋亡。

 

然而，少数情况下， NLRP3 会由于种种原因被异常激活，导致严重的自身炎症，如 II 型糖尿病、阿尔茨海默病 (AD) 、动脉粥样硬化和痛风等。与此同时， NLRP3 的突变也会导致自身炎症性低温综合征 (CAPS) 。

 

因此， NLRP3 在炎症相关疾病的治疗中成为一个被高度关注的因子，多种靶向 NLRP3 的药物也已进入临床实验阶段。

▲Nod样受体基因家族域结构^[1]

 

今天就让 T 仔来为大家带来来自 Nature 子刊 Cellular & Molecular Immunology 的一篇综述“How location and cellular signaling combine to activate the NLRP3 inflammasome”，一起来了解下 NLRP3 的激活与调控机制吧

▲点击图片跳转原文

 

    二、NLRP3的激活    

 

NLRP3 ，包含一个 pyrin 结构域 (PYD） ，一个与 ATP 酶活性结合所需的 NACHT 结构域和一个富亮氨酸重复序列 (LRR) 基序。在检测到激活刺激后，会由无活性的同源多聚体转变为活性多聚体炎性体，促进接头分子 ASC 的组装，激活半胱天冬酶-1 (caspase-1) ，诱导 IL-1 家族和  gasdermin D 中促炎细胞因子的蛋白水解切割和激活，最终导致溶解细胞死亡。

 

通常而言，触发 NLRP3 激活的因子包括细菌毒素尼日利亚菌素、细胞外 ATP 、胆固醇、多种微粒：尿酸钠  (MSU）晶体、明矾、硅颗粒（二氧化硅）以及淀粉样蛋白、糖酵解或线粒体的变化电子传输链 (ETC) 等，但由于 NLRP3 复杂而多样化的触发机制， NLRP3 也会在无菌状态下被异常激活而触发自身炎症和炎症性疾病。下文，将介绍一些已知的 NLRP3 激活机制。

▲NLRP3 炎症小体激活示意图^[2]

 

 

钾—————— Potassium

胞外钾浓度增加被认为是 NLRP3 被激活形成炎性体的一般上游要求。在许多 NLRP3 激活剂中都观察到了钾流出的现象，如钾离子载体尼日利亚菌素、短杆菌肽和成孔毒素能使质膜透化导致钾离子的流出、细胞外 ATP 通过介导 P2X7 通道和 TWIK2 双孔结构域开放触发钾离子外流，以及一些颗粒，如胆固醇晶体、二氧化硅、焦磷酸钙晶体等都能诱导钾的流出。

 

但也有一些不依赖钾外流就能激活NLRP3的途径，如咪喹莫特及其相关化合物 CL097 ，或是一些通过 TLR4-TRIF-RIPK1-FADD-CASP8 依赖性级联激活 NLRP3 的途径。因此仍需进一步的研究来阐明钾外流是否是 NLRP3 激活的必须条件，以及其具体的分子机制。

 

氯化物—————— Chloride

与钾类似，氯化物外流在 NLRP3 炎性体的组装中也发挥了重要的作用。研究表明，能够控制氯的流出的氯离子胞内通道蛋白 1 (CLIC1) 和 4 (CLIC4) 参与了 NLRP3 的激活。但单独的氯化物流出仅能介导 ASC 结合和寡聚化，并不足以形成功能性的炎性体，后续的 caspase-1 裂解和 IL-1β 释放步骤还需钾流出的协助。

▲NLRP3 细胞定位^[3]

 

线粒体—————— Mitochondria

线粒体 DNA (mtDNA) 是一种有效的免疫刺激因子， mtDNA 在细胞质中的释放会触发多种炎症反应，并响应多种细胞应激触发因素，其中也包括 NLPR3 激活剂，如 ATP 、己糖激酶 (HK) 、尼日利亚菌素等。且多项研究均表明，被氧化的 mtDNA (ox-DNA) 与 NLRP3 的激活有关。

 

线粒体 ROS (mtROS) ，有线粒体复合物 III 和复合物 I 产生，其水平随细胞应激以及电子传递链扰动而增加，在以往也被认为与 NLRP3 的激活有关。但缺乏复合物 III 的模型实验表明NLRP3的激活可能并不依赖于 mtROS ，与 NLRP3 激活一同上升的 mtROS 水平可能是由 NLRP3 的激活剂触发的。

 

线粒体自噬，是线粒体用于防止自身功能失调和受损的手段。自噬缺陷线粒体的相关实验表明，自噬的抑制会通过一系列 NLRP3 激活剂（包括 ATP 、尼日利亚菌素和溶酶体破坏）来促进 NLRP3 的激活。

 

溶酶体损伤—————— Lysosomal damage

溶酶体损伤或破坏是许多病理条件下 NLRP3 炎性体激活的关键机制。通常由内源性颗粒的吞噬作用触发，包括单钠尿酸盐 (monosodium urate, MSU) 晶体、基于胆固醇或脱氧鞘脂的脂质晶体和淀粉样蛋白- β 聚集体，或是外源性微粒，包括二氧化硅、石棉和明矾等。被吞噬的晶体在溶酶体室中积聚，导致溶酶体酸化增加、溶酶体肿胀、溶酶体膜完整性丧失，最终导致 NLRP3 炎性体激活。

 

内质网—————— Endoplasmic reticulum

内质网是调节胆固醇稳态的主要细胞器，化合物诱导的 ER 应激会引起钾外流和 ROS 的产生从而触发 NLRP3 依赖性 IL-1β 释放。同时，也有研究表明胆固醇稳态的改变与炎症反应的失调有关，胆固醇的积累对 NLRP3 具有激活作用，而胆固醇的合成抑制会降低 NLRP3 活性。

 

高尔基体—————— The Golgi apparatus

高尔基体作为近期 NLRP3 激活机制研究的焦点， NLRP3 刺激物会触发高尔基体周围线粒体及相关内质网膜 (MAM） 的聚集，促进蛋白激酶 D (PKD) 在 NLRP3 的 C293 位点处磷酸化，导致 NLRP3 从 MAM 中释放并被激活形成炎性体。与此同时，糖原合酶激酶 3β (GSK3β) 通过驱动磷脂酰肌醇-4-激酶 2 α (PI4k2A) 的磷酸化控制 NLRP3 向线粒体和高尔基体的募集，也是一种重要的 NLRP3 激活调节因子。

   

    二、NLRP3炎性体激活的翻译后修饰调控    

 

◆ 泛素化/去泛素化

 

泛素化，是通过 E3 泛素连接酶催化异肽键与赖氨酸残基的连接的生物学过程。

 

在NLRP3中，常见的泛素化位点有 K48 或 K63 连接位点，可以靶向 NLRP3 进行蛋白酶体降解或阻止蛋白质-蛋白质相互作用来负调节炎性小体激活的不同步骤。一般来说， E3 泛素连接酶有助于维持低水平的 NLRP3 ，如 F-box/LRR 重复蛋白 2 、 TRIM31 蛋白通过在 k689 、 k48 位点的泛素化诱导 NLRP3 降解。而去泛素化是 NLRP3 激活的必要步骤，一些泛素特异性肽酶 (USP) 的敲低，如 USP7 和 USP47 ，会减少 ASC 模块的形成和炎症小体的激活。

 

◆ 磷酸化/去磷酸化

 

NLRP3 通过丝氨酸或酪氨酸残基上添加一个磷酸基团来完成磷酸化。

 

磷酸化在调节 NLRP3 寡聚化和定位中起到了主要的作用，并协调 NLRP3 激活所需的信号网络。NLRP3发的磷酸化可以通过阻止 NLRP3 的意外寡聚化或是诱导自噬依赖性 NLRP3 降解来抑制 NLRP3 的激活。相反的，一些介导去磷酸化的因子，如肿瘤抑制因子磷酸酶和张力蛋白同源物 (PTEN） ，则会诱导 NLRP3 与 ASC 的相互作用，形成炎性体。

 

▲NLRP3 的翻译后修饰 (PTM) ^[3]

 

    三、NLRP3靶向治疗进展    

 

NLRP3 的异常激活所驱动的炎症是许多慢性退行性疾病的基础，包括 II 型糖尿病、痛风、动脉粥样硬化、炎症性肠病和阿兹海默病。因此，NLRP3 的抑制成为许多这些疾病的潜在治疗策略。

 

近年来，NLRP3 抑制剂的开发一直在大力推进。迄今为止已开发并进入临床试验的化合物包括 IFM-2427 (IFM/Novartis) 、Somalix (Inflazome) 、dapansutrile (Olatec) 和 NT-0167 (Nodthera) 。其中，通过与 NLRP3 的 NACHT 结构域结合直接抑制 NLRP3 炎性体的化合物和策略具有更高的特异性。

 

在结构靶向性方面，近期两个非活性 NLRP3 的冷冻电镜结构的研究表明，NLRP3 通常以非活性形式存在，呈多聚体的笼状构象，这种构象需要 LRR 中的酸性环与相邻 LRR 中的碱性结构域配对。而靶向该结构域的抑制剂 CP-456 , 773 可以通过在 ATP 结合 Walker A 基序位点附近与 NLRP3 结合，以稳定 NACHT 结构域的非活性构象，实现对NLRP3的抑制。这提示我们，靶向该位点的化合物可以通过稳定NLRP3 的非活性多聚物的形式，以防止其激活，为 NLRP3 抑制剂的设计或改变提供又一重要信息。

 

此外还有几种 NLRP3 炎性体抑制剂， T 仔以表格的形式列在了下方，一起来看看吧~

^{▲Nlrp3 炎性体抑制剂的药理应用[2]}

 

以上就是 NLRP3 的激活调控以及相关靶向药物的近期研究，让我们一起期待后续更深入的机制研究，助力靶向药物的开发吧~

 

    四、助力科研产品    

 

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参考文献：

[1]Wang L, Hauenstein AV. The NLRP3 inflammasome: Mechanism of action, role in disease and therapies. Mol Aspects Med. 2020;76:100889. doi:10.1016/j.mam.2020.100889

[2]Shao BZ, Xu ZQ, Han BZ, Su DF, Liu C. NLRP3 inflammasome and its inhibitors: a review. Front Pharmacol. 2015;6:262. Published 2015 Nov 5. doi:10.3389/fphar.2015.00262

[3] Akbal A, Dernst A, Lovotti M, Mangan MSJ, McManus RM, Latz E. How location and cellular signaling combine to activate the NLRP3 inflammasome [published online ahead of print, 2022 Sep 20]. Cell Mol Immunol. 2022;10.1038/s41423-022-00922-w. doi:10.1038/s41423-022-00922-w