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關鍵點： 先天性免疫系統(tǒng)是阻止病原微生物和宿主源性細胞發(fā)出危險信號的第一道防線。炎癥小體是先天免疫系統(tǒng)的胞質多蛋白復合物，在檢測到宿主細胞胞漿（胞質）中的微生物和危險信號后，由模式識別受體組裝而成，負責激活炎癥反應。 炎性小體激活炎性半胱天冬酶、半胱氨酸依賴性天冬氨酸定向蛋白酶，促進細胞因子白細胞介素-1β (IL-1β) 和 IL-18 的成熟，并誘導稱為細胞焦亡的溶解型細胞死亡。 典型炎癥小體激活caspase 1，并由蛋白pyrin或由NOD樣受體（NLR）和pyrin和含HIN結構域（PYHIN）蛋白家族的成員組裝，這些蛋白家族可檢測多種病原體和宿主衍生的危險信號。細菌細胞壁成分脂多糖 (LPS) 是最強的免疫系統(tǒng)激活劑之一，可導致非典型炎癥小體的組裝以及半胱天冬酶 4、5 和11的激活。 激活后，炎癥小體形成受體寡聚成多亞基輪狀組件，如NAIP-NLRC4 復合物的冷凍電子顯微鏡結構所示。這些受體復合物啟動由炎性體接頭蛋白ASC形成的絲的寡聚化，這些絲聚集形成大分子ASC斑點并作為 caspase 1的激活點。 細胞焦亡的誘導需要蛋白質gasdermin D，它被炎性半胱天冬酶加工切割成氨基末端（N端）和羧基末端（C端）片段。這將 Gasdermin D的N端結構域從與其C端結構域的分子內抑制性相互作用中釋放出來，從而允許 N 端結構域啟動焦亡。 炎癥小體激活失調與獲得性和遺傳性炎癥性疾病有關。最近的進展揭示了在翻譯和翻譯后水平上調節(jié)炎癥小體組裝和激活的多種機制。
炎性小體的組成：包括胞質模式識別受體（PRR）、接頭蛋白（ASC）和caspase-1（半胱天冬酶） 炎癥小體是響應多種生理和致病刺激而形成的多聚體復合物。炎性體激活是先天免疫反應的重要組成部分，對于清除病原體或受損細胞至關重要。前面章節(jié)講過，胞質內的模式識別受體負責感知細胞內的危險信號，特別是與微生物感染和細胞損傷相關的信號。當這些受體感知到危險信號、暴露在病原體相關分子模式（PAMP）或危險相關分子模式（DAMP）時，它們會聚集成為一個多蛋白復合物，被稱為炎癥小體（inflammasome），從而啟動炎癥反應。
炎癥小體傳感器根據(jù)其結構特征分為核苷酸結合域樣受體（NLR）（黑色素瘤2樣受體（ALR）中不存在）和最近發(fā)現(xiàn)的吡啶。這些受體具有組裝炎癥小體并激活半胱氨酸蛋白酶 caspase-1的能力。除了傳感器（NLR、ALR 或pyrin）和酶成分（caspase-1）外，大多數(shù)炎癥小體還使用稱為 ASC（包含 caspase 激活和募集結構域的凋亡相關斑點樣蛋白）的接頭分子。在檢測到特定刺激后，激活的傳感器使 ASC 成核，在激活的細胞內形成離散的焦點或“斑點”。有核ASC依次招募caspase-1，后者經歷鄰近誘導的自催化裂解，產生活性亞基p10 和p20。然后，這些活性 caspase-1 亞基可以蛋白水解處理細胞因子、IL-1β 和 IL-18，并誘導一種稱為細胞焦亡的特定形式的炎癥細胞死亡。因此，激活的caspase-1通過釋放成熟細胞因子和清除受感染或受損的細胞，為宿主細胞提供雙重防御機制。因此，炎性體組裝是一種協(xié)調的信號傳導事件，對于在致病性或無菌性損傷后產生適當?shù)拿庖叻磻陵P重要。炎癥小體的激活受到嚴格調節(jié)，以防御病原體的侵襲并避免對宿主造成損害。因此，多種分子和細胞信號參與維持炎癥反應和消退之間的平衡。
炎癥小體復合物的輪狀或盤狀結構 NLR 家族成員均共享一個中央核苷酸結合結構域 (NBD)，并且大多數(shù)成員具有 C 端富含亮氨酸重復序列 (LRR) 結構域和可變的N端結構域。根據(jù)可變N 末端是否含有Pyrin結構域（PYD）或Caspase激活和募集結構域 (CARD)，NLR 家族可分別細分為NLRP或NLRC。該家族的某些成員，包括 NLRP1、NLRP3 和 NLRC4，已被確定為能夠形成炎癥小體的NLR，而其他成員，如NLRP6和 NLRP12，仍然被認為是假定的炎癥小體傳感器。
人類、植物及其他及其機體中的NLRs結構 NLRP3炎癥小體的通用結構：LRR-NACHT-PYD : PYD-CARD : CARD-Caspase。 
NLR炎癥小體（NEK7：NIMA相關激酶7） NLRP1是第一個因其形成 caspase-1 激活平臺的能力而被鑒定的胞質受體。人類 NLRP1 包含典型的 NBD 和 LRR 結構域、pyrin 結構域 (PYD) 以及功能查找結構域和 C 端 CARD 結構域。小鼠基因組編碼三個旁系同源物 NLRP1(a–c)，它們都缺乏PYD。NLRP1b 被炭疽桿菌產生的炭疽致死毒素激活。致死毒素包括保護性抗原和致死因子；保護性抗原在宿主細胞膜上產生孔，而致死因子進入細胞并在N末端位點裂解NLRP1b，導致誘導炎癥小體激活（圖1）。這種切割對于誘導NLRP1b 激活至關重要。NLRP1b 功能發(fā)現(xiàn)域內的蛋白水解裂解也是功能性炎癥小體組裝所必需的。
圖1 NLRP1a 誘導炎癥小體激活能力的證據(jù)來自遺傳模型，其中NLRP1a基因 (Q593P) 發(fā)生突變的小鼠會出現(xiàn) caspase-1 和 IL-1β 介導的全身炎癥性疾病 ( Masters et al., 2012)）。這些小鼠還表現(xiàn)出骨髓生成的變化，使得造血祖細胞的數(shù)量和功能以 caspase-1依賴性但不依賴 IL-1R 信號傳導的方式顯著改變。因此，由于異常的炎性體激活和細胞固有的細胞焦亡，觀察到造血祖細胞的顯著損失。然而，調節(jié) NLRP1a 炎癥小體的具體觸發(fā)因素或機制尚不清楚。NLRP3包含PYD-NACHT-LRR 模塊，其中 NACHT和LRR 結構域相互作用以維持 NLRP3 處于自動抑制/閉合構象。PYD 在 NLRP3 激活后驅動炎癥小體形成。
NLRP3結構（NLRP3炎癥小體包含NLRP3） NLRP3首先被證明與被稱為冷吡蛋白相關周期性綜合征的遺傳性自身炎癥綜合征相關，其特征是皮疹和發(fā)燒發(fā)作。事實上，此后在人類NBD內部和周圍觀察到了超過90種與疾病相關的突變。NLRP3 是一種炎癥小體形成的 NLR，可對多種感染性和內源性配體做出反應，并與多種自身炎癥性疾病的發(fā)病機制有關，包括關節(jié)炎、痛風、糖尿病、肥胖和阿爾茨海默病等。已被證明可誘導 NLRP3 激活的觸發(fā)因素包括病原體衍生的配體，例如微生物細胞壁成分、核酸和成孔毒素；環(huán)境結晶污染物，如二氧化硅、石棉和明礬；以及內源性危險信號，如 ATP、血清淀粉樣蛋白 A 和尿酸晶體。事實上，其激活劑的多樣性是 NLRP3 炎性體最顯著的特征之一，并且使得與每種激活劑直接相互作用的可能性變得不太可能。因此，假設 NLRP3 炎性體要么感知這些刺激下游的常見次級激活劑，要么對與感染或生理損傷相關的細胞應激做出反應?；钚匝?(ROS) 的產生、鉀流出、細胞體積變化、鈣信號傳導和溶酶體破壞都被認為是 NLRP3 激活所需的關鍵上游信號。盡管多個研究小組已報道鉀流出是調節(jié) NLRP3 激活的統(tǒng)一機制，但也觀察到鉀流出響應 NLRP1b 激活，這引起了人們對鉀流出對 NLRP3 炎性體激活的特異性的懷疑。然而，所有這些特征都與細胞應激相關，表明NLRP3可能是細胞損傷的全局傳感器（圖1）。盡管確切的觸發(fā)因素尚不清楚，但最近的研究已經確定了調節(jié) NLRP3 炎癥小體激活的多種細胞機制。在靜息條件下，ASC 存在于線粒體、細胞質和細胞核中，而NLRP3與ER相關。炎性體的成核需要改變這些分子的亞細胞定位以促進它們的相互作用。這種空間排列的變化是由動力蛋白介導的線粒體向內質網的運輸引起的，使ASC和NLRP3 非常接近。此外，線粒體功能障礙會誘導微管改變，從而使 NLRP3 和 ASC 并置，這表明參與線粒體穩(wěn)態(tài)和細胞骨架調節(jié)的多種細胞功能協(xié)調并集中于 NLRP3 激活。雖然所有炎癥小體的激活都需要炎癥小體成分的共定位，但微管改變的抑制劑特異性阻斷 NLRP3 炎癥小體，表明不同的細胞骨架特征參與某些炎癥小體的激活。
NLRP3的細胞定位 
NLRP3的細胞器定位和激活。NLRP3-炎癥小體激活是對多種刺激的反應，其共同特征是細胞器應激和功能障礙。事實上，NLRP3 激活刺激會誘導以下部分或全部：ER 應激、MAM 形成、線粒體 ROS 產生和 mtDNA 釋放、TGN 分散、溶酶體破裂和內體 pH 值破壞。 除了細胞骨架重排之外，最近的研究還發(fā)現(xiàn) NEK7（NIMA相關激酶7，一種參與細胞周期進展的蛋白質）作為 NLRP3 炎癥小體的新型調節(jié)因子。NEK7 是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，已知可促進有絲分裂紡錘體形成和胞質分裂，并且是有絲分裂進展所必需的。NEK7 與NLRP3 的LRR 結構域相互作用，獨立于其激酶活性，并且是 NLRP3 炎性體激活所必需的。這種相互作用還限制了間期細胞的NLRP3炎癥小體激活 。據(jù)推測，這種細胞周期介導的 NLRP3 激活限制是由 NEK7 的有限細胞濃度引起的，因此一旦細胞進入有絲分裂，NEK7 就會定位于有絲分裂紡錘體，NLRP3激活就會減弱。NLRP3 激活和細胞周期進展之間這種交叉的意義目前尚不清楚，但可以推測這是一種保護細胞，用于在細胞分裂時抑制炎癥小體，在此期間細胞可能富含內源性配體，這些配體可能被被誤認為是細胞壓力。
NLRP3的激活（NEK7：NIMA相關激酶7）（圖2） 
NLRP3是細胞膜完整性的主要傳感器（P2X7：P2X7受體，活性由胞外ATP觸發(fā)） 
NLRP3 炎癥小體激活的雙信號模型。啟動Priming信號（信號 1，左）由微生物成分或內源性細胞因子提供，導致轉錄因子 NF-κB 激活，并隨后上調 NLRP3 和白介素原 1β (pro-IL-1β)。Caspase-8 和 FAS介導的死亡結構域蛋白 (FADD) 以及 NOD1/2 通過調節(jié) NF-κB 通路參與啟動步驟。NLRP3 經過翻譯后修飾以允許其激活。激活信號（信號 2，右）由多種刺激提供，包括細胞外ATP、成孔毒素、RNA 病毒和顆粒物。多種分子或細胞事件，包括離子通量、線粒體功能障礙和活性氧 (ROS) 產生以及溶酶體損傷，已被證明可以激活 NLRP3炎性小體。BRCC3，含BRCA1/BRCA2復合亞基3；IL-1R、IL-1β受體；JNK1，JUN N末端激酶 1；PKD、蛋白激酶D；TLR，Toll 樣受體；TNFR，腫瘤壞死因子受體。 NLRC4通過其CARD 結構域激活 pro-caspase-1，以響應沙門氏菌感染，誘導細菌細胞死亡。細菌鞭毛蛋白和細菌III型分泌系統(tǒng)的多種成分激活 NLRC4 炎癥小體，使其能夠為宿主提供針對多種病原體的防御。然而，NLRC4并不直接與其激活劑相互作用；相反，稱為NAIP（NLR家族，凋亡抑制蛋白）的蛋白質家族充當識別配體并誘導NLRC4 炎性體激活的傳感器。小鼠 NAIP1和NAIP2分別識別細菌針狀蛋白和內桿狀蛋白，而NAIP5和 NAIP6與鞭毛蛋白結合（圖1，圖2）。人類基因組僅編碼一種已知的 NAIP，它可以感知鞭毛蛋白和針蛋白，這表明這兩種結構相關配體的識別模式相似 。NLRC4包含翼狀螺旋結構域，它與NBD一起在基礎條件下將NLRC4穩(wěn)定在閉合構象中，而LRR結構域為其寡聚化提供空間位阻 。因此，這兩種抑制機制在沒有配體的情況下維持NLRC4 處于非活性狀態(tài)。對這一理論的支持來自基于NAIP5-NLRC4多聚體冷凍電鏡分析和休眠NLRC4 晶體結構的結構建模。除了通過焦亡去除受感染的細胞以及通過IL-1β 和IL-18 釋放使炎癥持續(xù)存在之外，NLRC4 激活還影響細胞生物學的其他方面，這些方面對于宿主防御至關重要。在感染沙門氏菌的巨噬細胞中，NLRC4誘導肌動蛋白聚合反應，阻止細菌進一步攝取并增加細胞內ROS 的產生，從而增強細胞內殺傷作用并降低細菌傳播。上皮細胞中的 NLRC4 激活對于控制沙門氏菌感染期間的病原體負荷是特別需要的。據(jù)此，上皮特異性刪除炎癥小體成分（Naip 1-6、NLRC4 和caspase-1/caspase-11）會導致更高的細菌負荷和腸外傳播?？偟膩碚f，這些研究強調了NLRC4炎癥小體在細胞反應中的重要性，超出了細胞因子釋放和細胞焦亡的傳統(tǒng)作用。NLRP6 因其識別的不尋常配體及其觀察到的下游效應而具有非典型性。最早的一項研究發(fā)現(xiàn)，NLRP6 是感染單核細胞增生李斯特菌、大腸桿菌和沙門氏菌的巨噬細胞中絲裂原激活蛋白激酶和NF-κB 通路的負調節(jié)因子。此后，推測NLRP6在caspase-1激活中的作用是維持對化學損傷和病原體的最佳粘膜反應所必需的。在腸道中，NLRP6通過產生粘液來對抗微生物失調。在缺乏NLRP6的情況下，腸道屏障完整性受到損害，使動物容易受到致病性和化學損傷。NLRP6在腸道穩(wěn)態(tài)和相關疾病中發(fā)揮著核心作用。值得注意的是，在缺乏炎癥小體傳感器NLRP3和AIM2的小鼠中也觀察到微生物群的改變或失調，這表明炎癥小體在維持腸道方面發(fā)揮著非冗余的作用：細菌共生。即使在病毒感染的情況下，NLRP6 在粘膜部位的作用也是相關的。在腦、心肌炎和諾如病毒的全身感染過程中，NLRP6 特別影響胃腸道中的病毒載量，而相同病毒的口腔感染需要NLRP6介導的防御才能獲得生存。然而，NLRP6在非粘膜位點重要性的直接證據(jù)尚未得到證實，需要進一步研究以揭示控制這種假定炎癥小體的分子機制。
Nlrp6 表達和NLRP6炎性體組裝的調節(jié)。(A) 腫瘤壞死因子-α (TNF-α)、病毒刺激和難以捉摸的微生物介導的信號傳導可以誘導Nlrp6的轉錄。轉錄因子過氧化物酶體增殖物激活受體-γ (PPARγ) 與Nlrp6的啟動子區(qū)域結合并誘導其轉錄。(B) miRNA 331-3p抑制Nlrp6轉錄物的翻譯。(C) 微生物相關分子模式 (MAMP) 和損傷相關分子模式 (DAMP) 與 NLRP6蛋白的C端富含亮氨酸重復序列 (LRR) 結合，從而實現(xiàn)真正的炎癥小體組裝。然而，迄今為止，這些 MAMP和DAMP大多仍未被識別。NLRP6蛋白還包含一個核苷酸結合結構域 (NBD) 和一個熱蛋白結構域 (PYD)，它們與ASC接頭相互作用。NLPR6 炎癥小體激活caspase-1或caspase-11，并將 proIL-1β 和 proIL-18 前體裂解為成熟細胞因子。GasderminD被裂解并驅動細胞焦亡。NLRP6 可能以細胞和環(huán)境特異性的方式抑制或增加 NF-κb 活性。去泛素酶 Cyld 抑制 NLRP6 炎性體形成。 NLRP12 最初被定性為非經典 NF-κB 信號傳導的抑制劑。它還參與響應鼠疫耶爾森氏菌和瘧原蟲感染的 caspase-1 激活。NLRP12在NF-κB 介導的信號傳導中的作用使其成為沙門氏菌感染后和結直腸癌期間免疫反應的重要調節(jié)劑。此外，它在T細胞激活過程中本質上調節(jié) NF-κB 信號傳導，從而影響其致結腸炎和致腦炎的潛力。
Pyrin 和 AIM2 炎癥小體 ALR 家族因其最具特征性的成員 AIM2（黑色素瘤2中不存在）而命名。ALR 家族成員的特征是N端PYD和C端造血干擾素誘導核蛋白，具有200個氨基酸重復 (HIN200) 結構域。ALR的表達僅限于哺乳動物物種，并且在哺乳動物物種中是保守的。AIM2由于缺乏所有其他成員中存在的核定位信號，因此具有獨特的胞質定位。此外，AIM2的PYD在功能上不同于其他ALR，因為它能夠與ASC的PYD相互作用。正是由于這種特定的相互作用，AIM2 是該家族中唯一已知能夠形成炎性體的成員。其他小鼠ALR已被證明與ASC相互作用，使它們成為炎癥小體反應的潛在調節(jié)劑，而另一種人類 ALR，γ-IFN誘導蛋白16 (IFI16)，可觸發(fā)干擾素-β (IFN-β) 的產生，被認為是假定的炎癥小體 。AIM2（Absent in Melanoma 2）最初在腫瘤抑制篩選中被鑒定為 γ-IFN誘導蛋白 (IFI16)。后來的一項研究將其重新定義為一種核酸傳感器，可組裝成炎癥小體，特別是響應雙鏈 DNA。AIM2 對于感染各種病毒和細菌感染因子后的免疫反應至關重要。HIN200結構域在 AIM2 中發(fā)揮重要作用，參與與dsDNA（病毒DNA）的結合。這種結合與DNA的序列無關，但要求dsDNA具有一定長度（約80 bp）。結構和生物物理研究表明，HIN200結構域和DNA堿基之間存在序列中性的靜電相互作用。這種相互作用可能是 AIM2 與dsDNA結合的機制之一。結構分析表明，HIN200結構域與AIM2的PYD（Pyrin域）相互作用，導致AIM2自身抑制。在沒有配體（dsDNA）的情況下，HIN200結構域通過與PYD相互作用發(fā)揮自身抑制作用。 HIN200結構域與dsDNA結合可緩解自身抑制，使得AIM2的PYD能夠與接頭蛋白ASC（Apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD）發(fā)生同型相互作用。重構的AIM2–ASC–caspase-1炎癥小體呈現(xiàn)星形結構，具有從中心樞紐輻射出的多個細絲。在這個復合體中，AIM2和ASC形成中心，而caspase-1構成細絲。這種結構表明在這個復合體中，AIM2 和 ASC 起到核心作用，而 caspase-1 分布在周圍形成細絲。AIM2能夠與病毒和細菌DNA結合，但其與炎癥小體的結合方式存在明顯差異。AIM2對于細菌刺激（如弗朗西斯菌）的激活需要I型干擾素（IFN）信號傳導，而對于病毒刺激（如小鼠巨細胞病毒）則不需要。I型IFN信號傳導誘導基因表達，介導細菌在胞質中的逃逸和細菌的裂解，從而釋放 AIM2 激活的配體。盡管 AIM2 激活配體在細菌中普遍存在，但并非所有細菌和病毒都能激活 AIM2 炎癥小體。Pyrin蛋白（也稱為 marenostrin；TRIM20）以希臘語“fever發(fā)燒”一詞命名，是一種由781個氨基酸組成、約95kDa 的蛋白質，由16號染色體上的MEFV編碼（下圖）。Pyrin表達主要局限于先天免疫系統(tǒng)的細胞，即粒細胞、嗜酸性粒細胞、單核細胞和樹突狀細胞。同源性分析確定了pyrin 蛋白內的五個不同結構域（下圖）。該蛋白N末端的同名PYD結構域 (1-92) 存在于 20 多種主要參與炎癥過程的人類蛋白中。通過其PYD結構域，該蛋白與炎性體接頭蛋白（具有caspase 募集結構域 (ASC) 的凋亡相關斑點樣蛋白）結合，隨后導致 caspase-1 介導的 IL-1β 產生。
MEFV基因和編碼的Pyrin吡啶蛋白的示意圖。MEFV基因描述的 300 多個核苷酸變異中，僅顯示與疾病表型明確相關的變異。已知的吡啶相互作用伴侶描繪在其相應或推定的吡啶蛋白相互作用結構域旁邊：ASC（含有 CARD 的凋亡相關斑點樣蛋白）、14-3-3（14-3-3 蛋白）、PKN1/2 （絲氨酸-蘇氨酸激酶 PKN1 和 PKN2）、p65（轉錄因子 p65）、IκB（NF-κB 抑制劑）、PSTPIP1（脯氨酸絲氨酸蘇氨酸磷酸酶相互作用蛋白）。Pyrin（吡啶）與一種稱為家族性地中海熱的自身炎癥性疾病有關，最近才被鑒定為一種炎癥小體形成蛋白。Pyrin 首先被認為與表達含有 Pyrin 的家族性地中海熱突變的小鼠模型的炎癥小體激活有關。吡啶炎性小體的組裝是為了響應各種細菌產生的Rho修飾毒素，包括艱難梭菌(TcdB)、副溶血弧菌(VopS)、睡眠嗜組織菌(IbpA)、肉毒梭菌(C3 ) ）和新洋蔥伯克霍爾德菌（圖1）。這些毒素在 Rho 家族成員的 Switch I 區(qū)域內誘導共價修飾，包括糖基化、腺苷酸化和 ADP 核糖基化，表明熱蛋白炎癥小體檢測到的通用特征。另外，百日咳毒素通過其 ADP-核糖基轉移酶活性，也可與吡啶炎癥小體結合。Rho的修飾似乎對于 Pyrin 炎癥小體激活至關重要，這表明 Pyrin 對 Rho 的功能活性有反應。
吡啶炎癥小體調節(jié)的分子機制。香葉基香葉基化（甲羥戊酸激酶途徑）和 GEF-H1 的釋放（即通過微管聚合抑制劑秋水仙堿）誘導 RhoA 活性。RhoA 效應激酶 PKN1 和 PKN2 隨后引起 Pyrin 磷酸化并與抑制蛋白 14-3-3 結合。PKN1/2 激活物質和 GEF-H1 的釋放可增強該機制，而 GEF-H1 水平低或 MVK 通路功能缺陷會導致 PKN1/2 失活。Pyrin 磷酸化的減少與 Pyrin 炎性體的激活和成熟 IL-1β 和 IL-18 的釋放有關。Gasdermin D 質膜成孔 N 末端片段的產生進一步促進了 IL-1β 和 IL-18 的釋放。
炎癥小體的組裝可以通過感知與感染或細胞應激相關的各種刺激來觸發(fā)，并最終激活 caspase-1兩種不同類型的炎癥小體（NAIP–NLRC4炎癥小體和AIM2炎癥小體）的結構和激活(組裝)機制：1. 激活機制：NAIP和NLRC4是兩個炎癥小體的成員，它們在特定配體結合后被激活。NAIP識別和結合特定的配體，使其能夠與NLRC4相互作用并激活它。這種配體結合導致新的核化表面的形成，從而使NLRC4分子能夠招募和進一步激活其他NLRC4分子，形成類似多米諾骨牌效應的反應。2. 復合物結構：完成的NAIP–NLRC4復合物呈現(xiàn)多亞單位的盤狀結構，其中包含9-11個NLRC4分子和僅一個NAIP分子。3. 激活過程：在受體復合物組裝后，NLRC4的CARD（caspase recruitment domains）集聚并招募橋接的ASC（Apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD）分子，以啟動ASC的聚合過程。NAIP–NLRC4復合物還可以在沒有ASC的情況下直接啟動caspase 1的激活，盡管ASC的招募似乎是默認情況。1. 激活機制：AIM2（absent in melanoma 2）炎癥小體的激活涉及DNA的結合。AIM2的HIN（hematopoietic interferon-inducible nuclear antigens with a 200-amino-acid repeat）結構域以規(guī)律的間隔結合DNA，導致AIM2的PYD（pyrin domains）集聚。2. ASC的聚合：AIM2的PYDs與ASC相互作用，啟動ASC的聚合形成纖維。ASC纖維聚集形成一個巨大的分子組裝，稱為ASC speck。3. caspase 1的激活：ASC纖維上的暴露的CARD招募pro-caspase 1，并進一步啟動由caspase 1的CARD形成的纖維，這對于引發(fā)鄰近位置的caspase 1的激活是必要的。
炎性小體復合物的組裝a.NAIP–NLRC4炎癥小體 b.AIM2炎癥小體主要炎癥體成分之間的相互作用通過同型PYD-PYD或CARD-CARD相互作用發(fā)生。PYD和CARD結構域具有成核能力，使它們能夠誘導寡聚化，形成炎癥小體組裝的結構基礎?；谶@些域，炎性體傳感器組裝成帶有或不帶有適配器ASC的復合物。含有CARD的NLRP1和NLRC4直接招募 caspase-1，而含有PYD的NLRP3、AIM2和Pyrin 則招募ASC進行炎癥小體組裝。盡管NLRP1和NLRC4可以以不依賴于ASC的方式誘導焦亡，但有效的細胞因子加工依賴于ASC介導的超分子復合物組裝。由于炎癥小體組裝過程中存在同型相互作用，僅pyrin蛋白和僅CARD蛋白可以作為顯性失活調節(jié)因子來阻斷炎癥小體信號轉導。ASC依賴性NLRP3和AIM2激活已在體外重現(xiàn)，并通過兩個后續(xù)成核事件進行。首先，傳感器使ASC成核，形成低聚絲。其次，ASC使caspase-1 成核，使得傳感器、接頭和酶在較大的復合物中以不斷增加的濃度存在，以實現(xiàn)信號放大 ( Lu et al., 2014 )。 激活的炎癥小體導致ASC speck的生成，這是一種在細胞中形成的微米級焦點。ASC在生理pH條件下通過PYD結構域之間的電荷靜電和疏水相互作用形成纖維，CARD結構域動態(tài)變化以促進與caspase-1的相互作用。
ASC介導的炎癥激活放大 Caspase-11 和 NLRP3 炎癥小體：非經典NLRP3炎癥小體激活途徑Caspase-11 是一種炎癥性 caspase，被鑒定為 caspase-1 激活的結合伴侶和介體。Caspase-11被鑒定為獨立于 caspase-1 的焦亡誘導劑，并且是 NLRP3 炎性體激活所必需的，特別是通過其CARD結構域響應革蘭氏陰性菌（Shi et al., 2014）。Caspase-11充當脂多糖 (LPS) 誘導的焦亡反應的傳感器和誘導劑，并進一步觸發(fā) NLRP3 炎癥小體的組裝。這區(qū)分了炎癥小體激活的兩種功能，例如細胞焦亡通過caspase-11的激活進行，而細胞因子加工通過NLRP3介導的caspase-1激活進行（圖3）。
Caspase-11 調節(jié)的 NLRP3 炎性體（圖3） caspase-11 如何促進非經典 NLRP3 激活尚不完全清楚。盡管 caspase-11 可以與 caspase-1 相互作用，但 caspase-11 的丟失不會影響典型的 NLRP3-ASC 復合體組裝，從而反駁了其作為重要接頭的作用。另一種可能性是 caspase-11利用下游分子來引發(fā)NLRP3炎性體組裝。例如，caspase-11激活導致細胞內鉀水平下降，表明鉀流出可以橋接 caspase-11 和 NLRP3 激活。激活后，半胱天冬酶 4、5和11與半胱天冬酶1類似地啟動細胞焦亡，但它們不裂解 pro-IL-1β 或 pro-IL-18。
非經典NLRP3炎癥小體激活途徑 炎癥小體的激活過程詳解
炎癥小體的激活是一個復雜而精密的過程，涉及多個蛋白質的相互作用。通常分為兩個主要步驟：啟動和放大。1. 啟動（Priming）：在這個階段，細胞需要接收到特定的信號，例如細菌感染、病毒感染或細胞內損傷。這些信號通過模式識別受體（PRRs）被感知，例如Toll樣受體（TLRs）或NOD樣受體（NLRs）。激活的PAMPs（病原相關分子模式）或DAMPs（損傷相關分子模式）通過這些受體的識別引發(fā)了一系列信號傳導事件。這個過程導致NF-κB（核因子-κB）的激活，啟動了一些基因的表達，其中包括炎癥小體相關的分子如NLRP3、pro-IL-1β、和pro-IL-18。2. 放大（Activation）：一旦細胞被啟動，炎癥小體的組裝和激活開始。NLRP3是其中一個關鍵的組分。炎癥小體激活過程：- 激活信號的感知：NLR家族成員在細胞質中感知到一系列的危險信號，這可能包括細胞內的病原體感染、細胞應激、細胞內環(huán)境的異常變化等。這些危險信號被視為炎癥小體激活的信號。
- NLRP3的激活：受體NLRP3感知到細胞內的危險信號，可能涉及K^+離子的流動、細胞內鈣離子濃度的改變、ROS（活性氧物種）的產生等。這些信號導致NLRP3構象的改變，使其能夠與ASC結合。
- ASC的參與（ASC招募Caspase-1）：對于一些炎癥小體，ASC（Apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD）蛋白的參與是關鍵的。ASC是一個適配蛋白，包含一個PYD和一個CARD結構域。在炎癥小體的組裝中，NLRP3的PYD結構域與ASC的PYD結構域發(fā)生相互作用，促使它們結合在一起。
- Caspase-1的激活：與NLRP3和ASC連接在一起的Caspase-1分子也就在這個時候被激活。ASC具有CARD結構域，可以連接到Caspase-1的CARD結構域上，形成Caspase-1激活的平臺。
- Caspase-1的切割活性：由于ASC的連接，Caspase-1分子得以自我激活，進而能夠切割和激活前炎性細胞因子，如pro-IL-1β和pro-IL-18。這兩者是強烈的炎癥介質，參與調控炎癥反應。
- 炎癥小體的釋放：活化的Caspase-1通過切割GSDMD（氣孔形成毒素，Gasdermin D）引發(fā)氣孔形成，導致細胞膜的破裂。這導致細胞釋放已經激活的細胞因子和其他促炎分子，引發(fā)炎癥反應。
總體而言，炎癥小體激活是一個自我放大的過程，一旦啟動，就能夠產生足夠的信號來引發(fā)炎癥反應。這對于清除感染、修復組織損傷等生理過程至關重要。
NLRP3 inflammasome priming and activation（NEK7：NIMA 相關激酶 7）
炎癥小體信號通路（NLRP3炎性體在2個步驟的過程中被激活。首先，PAMP或DAMP介導的TLR4 或 TNFR 激活會誘導 NF-kB 信號轉導，導致NLRP3、pro-IL-1β 和 pro-IL-18 表達升高（引導步驟，信號 1）。接下來，大量信號（全病原體、PAMP/DAMP、鉀外流、溶酶體損壞的環(huán)境因子 [尿酸、硅和明礬]、內源性因子 [淀粉樣蛋白 β、膽固醇結晶] 和線粒體損害）會間接激活 NLRP3，導致復合體組裝和 caspase-1 激活，活化的Caspase-1通過切割GSDMD（氣孔形成毒素，Gasdermin D）后，GSDMD-N 端與細菌膜上心磷脂（CL）結合并插入其中，形成氣孔，導致細胞膜的破裂。（信號 2）。蛋白組分之間的結構域相互作用會形成復合體炎性體結構。其他炎性體通過更直接的方式被激活：雙鏈 DNA（病毒）激活AIM2復合體，炭疽霉素激活 NLRP1，細菌flagelllin激活NLRC4。激活的 caspase-1會誘導促炎性細胞因子 IL-1β 和 IL-18 的分泌，而且調控代謝酶表達、吞噬體成熟、血管舒張和細胞焦亡（Pyroptosis，一種炎性程序性細胞死亡）。）
GSDMD活化和成孔機制概述
GSDMD激活和細胞焦亡機制示意圖
Gasdermin D的Caspase-1或 caspase-11裂解是調節(jié)細胞焦亡的先決條件
GSDMD孔隙形成與修復機制示意圖。(1) NINJ1 寡聚化允許 GSDMD 孔形成下游的質膜破裂和細胞焦亡。(2)響應Ca 2+流入，啟動ESCRT-III組裝并通過胞吐分泌動態(tài)修復GSDMD孔以維持膜完整性。 炎癥小體的效應功能 炎性體激活導致一種獨特形式的程序性細胞死亡，稱為細胞焦亡，其特征是細胞裂解、細胞內成分釋放和炎癥反應。迄今為止，半胱天冬酶誘導的細胞焦亡已在巨噬細胞、樹突狀細胞、腸上皮細胞和造血祖細胞中得到證實，而中性粒細胞和單核細胞在炎癥小體激活后不會發(fā)生細胞焦亡（Miao 。焦亡似乎在進化上也是保守的，因為李斯特菌感染后，在斑馬魚幼蟲中可以觀察到由焦亡引起的巨噬細胞損失，其特征是 ASC 斑點和核凝結。因此，細胞焦亡是多種細胞中炎癥小體激活的一個關鍵特征。焦亡是細胞死亡的一種獨特形式，但與細胞凋亡和壞死具有某些共同特征。與壞死類似，細胞焦亡涉及在細胞膜上形成 1 至 2 nm 的孔。它進一步通過細胞質膨脹、滲透裂解和細胞內內容物的釋放進行。與細胞凋亡相似的是核固縮和DNA損傷的特征。此外，在細胞凋亡和焦亡中都觀察到了劊子手 caspase-3 和 -7 的加工，但值得注意的是，在焦亡過程中，膜透化和 DNA 片段化即使在沒有劊子手半胱天冬酶的情況下也可能發(fā)生。這些研究強調了這些細胞死亡途徑的相似點和區(qū)別。盡管 caspase-7 被確定為 caspase-1 靶標，但細胞焦亡可以獨立于劊子手 caspase 發(fā)生，從而排除了其在細胞焦亡中的作用。caspase-1 激活和細胞焦亡之間缺失的聯(lián)系后來被三個獨立研究小組鑒定為 GSDMD。GSDMD被發(fā)現(xiàn)是炎癥性caspase-1、caspase-4和caspase-11的直接靶標，對于炎癥小體激活后細胞焦亡和IL-1β釋放至關重要。Caspase-1、-4、-5 和 -11 在同一位點識別并切割 GSDMD。GSDMD 裂解是其活性所必需的，并且N末端足以誘導細胞焦亡，表明 GSDMD C 末端具有自身抑制作用。這些研究強調了 GSDMD 作為細胞焦亡的關鍵誘導劑的重要性，并提供了炎癥性半胱天冬酶激活和細胞死亡之間缺失的聯(lián)系之一。盡管 caspase-8 長期以來一直被認為屬于細胞凋亡領域，但最近的研究強調了它對炎癥小體激活、IL-1β 產生和響應一系列配體的細胞死亡的貢獻。通過 dectin-1 進行的真菌、分枝桿菌或 β-聚糖識別會通過由 caspase-8、MALT1 和 ASC 組成的復合物誘導 caspase-8 依賴性 IL-1β 加工。盡管該復合物采用炎癥小體接頭 ASC 并導致 IL-1β（一種典型的炎癥小體讀數(shù)）的處理，但它并不通過激活炎癥 caspase-1 或 caspase-11 進行。因此，它作為炎癥體平臺并未被廣泛接受。為了響應沙門氏菌激活 NLRC4 ，caspase-8 通過 ASC 被募集至炎癥小體，并有助于 IL-1β 加工。Caspase-8 還被證明在 NLRP3 炎癥小體的啟動和激活中發(fā)揮作用 。ASC 介導的 caspase-8 募集和激活還會導致 AIM2 和 NLRP3 激活后的細胞凋亡。自噬涉及受損細胞器的降解和細胞代謝物的回收。另一方面，炎癥小體通過異常的生理功能或對感染因子的反應來對標記細胞損傷的刺激做出反應。因此，這兩種細胞反應的交叉是不可避免的，并且對于維持細胞生理學至關重要。細胞響應病原體損傷而激活自噬，以遏制感染并促進病原體的清除。自噬還清除穩(wěn)態(tài)或激活條件副產品產生的受損細胞器（Jabir et al., 2015），從而減弱炎癥反應。迄今為止發(fā)現(xiàn)的通過自噬介導炎癥小體抑制的機制包括抑制ROS產生（Zhou et al., 2011；Lupfer et al., 2013）、去除受損線粒體（Jabir et al., 2015）、ASC聚集體的降解（Shi 等人，2012），以及 pro-IL-1β 的隔離（Harris 等人，2011）。相反，阻斷自噬會通過產生 ROS 的線粒體積累來促進炎癥小體激活。自噬可以通過炎性體成分來調節(jié)。NLRP3 和 NLRC4 可以與自噬的重要調節(jié)因子 beclin 1 相互作用。與 NLRC4 結合可抑制生理條件和細菌感染下的自噬。NLRC4還與C類液泡蛋白分選復合物相互作用并抑制自噬體成熟。作為先天免疫系統(tǒng)的一部分，炎癥小體在誘導炎癥級聯(lián)反應和協(xié)調宿主防御方面發(fā)揮重要作用。這包括通過激活和分泌促炎細胞因子以及誘導一種特殊的免疫刺激性程序性細胞死亡，稱為焦亡（pyroptosis）。炎癥小體及其組分還可以參與 PANoptosis（全凋亡），這是一種獨特的炎癥性細胞死亡形式，不能僅通過焦亡、凋亡或壞死來解釋。除了專業(yè)的先天免疫系統(tǒng)細胞，如巨噬細胞，各種研究描述了不同上皮炎癥小體，并強調它們作為第一防線的關鍵作用。這些上皮炎癥小體對抗病原體起到了重要作用，考慮到它們位于環(huán)境界面處，通常是病原體入侵的地點。因此，上皮組織不僅僅履行物理屏障的功能，而且在與病原體首次接觸時還會引發(fā)防御反應。這些上皮組織中的先天免疫組分的表達有助于病原體的檢測，因為在入侵過程中，需要表達毒力因子并因此暴露出PAMPs，而在感染的后期階段，當病原體與專業(yè)免疫細胞相互作用時，這些因子可能會下調。盡管上皮炎癥小體主要在腸粘膜中進行了研究，但也有證據(jù)表明在其他類型的上皮中，如尿道膀胱上皮，也存在炎癥小體。在小鼠中，caspase-11主要在巨噬細胞中表達，而在人類中，caspase-4在腸道上皮細胞中也表達較高。類似于觀察到的上皮NAIP/NLRC4炎癥小體，已經證明人類上皮細胞在與腸道病原體（如沙門菜單體、彎曲菌或大腸桿菌）感染時經歷caspase-4依賴、caspase-1獨立的細胞死亡和外排。此外，上皮細胞中的細胞質LPS可以觸發(fā)IL-18的分泌。
1. 可變剪接對炎癥小體蛋白的影響：炎癥小體蛋白經歷可變剪接，產生不同活性的剪接變體。例如，ASC（Apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD）的其中一個剪接變體具有抑制活性，表明剪接過程可以影響炎癥小體的功能。2.調節(jié)蛋白的表達，包含CARD 或PYD的調節(jié)器（CARD-orPYD-containing regulators）：炎癥小體的組裝主要依賴于受體通過死亡折疊結構域與ASC的相互作用，以及ASC與caspase 1的相互作用。調節(jié)這些相互作用的蛋白質包括CARD-only proteins（COPs）和PYD-only proteins（POPs），這些蛋白質在人類和高級靈長類動物中存在，但在小鼠和大鼠基因組中缺失。3. COPs和Caspase 12：人類基因組中有三種COPs，它們與caspase 1的CARD相似，被認為通過與caspase 1結合而負調控炎癥小體。Caspase 12也被發(fā)現(xiàn)調節(jié)炎癥小體信號傳導，其全長和截短的兩個變體在人類中存在。Caspase 12與caspase 1相互作用，其過表達可降低caspase 1活性，并在小鼠中的缺失研究中顯示對敗血癥的抗性。4. PYD-only proteins（POPs）：POPs是一類較為了解的蛋白質，其中包括POP1、POP2和POP3。它們通過干擾PYD-PYD相互作用調控炎癥小體信號傳導。POP1通過結合ASC并阻止ASC-PYD-NLRP3-PYD相互作用來負調控NLRP3的炎癥小體活性。POP2和POP3的生理作用尚不清楚，但它們與NLRP2、NLRP3或AIM2的PYD相互作用，可能在抑制炎癥小體活性中發(fā)揮作用。5. 翻譯后修飾：蛋白磷酸化或泛素化對調控炎癥小體受體和適配器ASC的活性至關重要。NLRC4的磷酸化，通過蛋白激酶Cδ（PKCδ）介導，對其在沙門氏菌感染中的活性具有重要作用。另一方面，ASC在炎癥小體刺激下也會被磷酸化，這需要脾酪氨酸激酶（SYK）和JUN N-末端激酶（JNK），對caspase 1的激活至關重要。6. 免疫調控（干擾素的調節(jié)）：干擾素（IFNs）對炎癥小體信號傳導具有雙重作用。Type I IFNs降低炎癥小體的活性，包括降低NLRP1B、NLRP3、IL-1β和IL-18的表達。然而，Type I IFNs也可能在某些條件下增強炎癥小體信號傳導，如在AIM2和caspase 11的激活中起作用。IFNs通過誘導GBP（guanylate-binding proteins）的表達，可能通過多種方式參與調控炎癥小體，包括影響NLRP3-ASC寡聚體的形成或在pyroptosis誘導的水平上發(fā)揮作用。
如圖所示，炎癥小體及其相關分子在不同信號通路中的激活和調控機制，涉及到磷酸化、去泛素化、基因表達的調節(jié)等多個層面的細胞信號傳導過程：a | NLRC4激活需要核苷酸結合寡聚化域（NOD）模塊中螺旋結構域2（HD2）的磷酸化，該模塊包括核苷酸結合域（NBD）、螺旋結構域1（HD1）、螺旋結構域2（HD2）和WHD。該過程由蛋白激酶Cδ（PKCδ）介導。b | NLRP3的啟動包括模式識別受體（PRR）誘導的NLRP3表達上調以及由BRCC3介導的NLRP3去泛素化。NIMA相關激酶7（NEK7），NLRP3復合物的一個必要組分，在有絲分裂進程中是必需的，因此僅在有絲分裂間期可供NLRP3結合。干擾素（IFNs）通過誘導誘導型一氧化氮合成酶（iNOS）和一氧化氮（NO）介導的硝基化來負調控NLRP3。孤兒核受體小雜異二聚體伴侶（SHP）可以結合NLRP3并負調控炎癥小體信號傳導，但機制尚不清楚。Pyrin結構域（PYD）-only蛋白質（POP）通過隔離ASC（POP1）或結合NLRP3的PYD（POP2）來調控NLRP3炎癥小體的組裝。c | IFN活化蛋白202（p202）通過與DNA結合抑制AIM2信號傳導，導致AIM2的PYD在DNA上的空間分離，防止ASC聚集和信號傳播。POP3，一種IFNγ誘導的蛋白，直接結合到AIM2的PYD上，阻斷ASC的招募。d | IκB激酶-α（IKKα）保持ASC在細胞核中，從而控制其可用性。POP1結合到ASC的PYD上，防止其被招募到受體PYD上并抑制ASC的聚合。Caspase 1的激活需要ASC的CARD（caspase recruitment domain）被脾酪氨酸激酶（SYK）或JUN N-末端激酶（JNK）磷酸化。Pro-caspase 1的可用性及因此間接其活性，受到CARD16-18和caspase 12的控制，它們結合并隔離pro-caspase 1。
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