Canonical NLRP3 inflammasome

Обзор

Биология инфламмасом - одна из самых быстрорастущих областей иммунологии.

Запоследние 10 лет инфламмасомы были общепризнаны за их роль в защите хозяев

против инвазивных патогенов и развития рака, аутовоспалительных, метаболических и

нейродегенеративные заболеваний. Сборка воспалительного комплекса требует связыванияс патоген-ассоциированным молекулярным паттерном или молекулярным паттерномсвязанным с опасностью NOD-подобного рецептора (NLR) или отсутствующего в 2-типе меланомы рецептора (ALR). NLR и ALR активируют каспазу-1, в большинстве случаев требуя связывания

со специфичнымбелком, содержащимCARD (ASC), необходимого для каталитического протеолитического расщепления проинтерлейкина-1β(про-IL-1β) и про-IL-18 и возбужденияпироптоза. Недавние исследования показывают, что

каспаза-8, каспаза-11, IL-1R-ассоциированные киназы (IRAK) способствуют активации воспалительных функций. Кроме того, посттрансляционные модификации,

включая убиквитинирование, дезубиквитинирование, фосфорилирование и деградация, контролируют почти все аспекты воспаления. Генетические исследования показывают, что мутации в NLRP1, NLRP3, NLRC4 и AIM2 связаны с развитием аутовоспалительных заболеваний, энтероколитов и рака. В целом, эти данные обобщают наше понимание основной биологии и клинической актуальности воспалительных заболеваний. В этом обзоре мы даем обзор последней разработки исследования воспалительных заболеваний и обсуждаем, как воспалительные механизмы регулируют здоровье и болезни.

 

 

Ключевые слова

инфламмасома; NLR; каспазы-1; каспазы-8; каспазы-11; IL-1

 

Введение

Инфламмасомы представляют собой мультимерные белковые комплексы, которые образуются в клетке для организации механизмов защиты хозяев от инфекционных агентов. Сборка комплекса инфламмасом инициируется NOD-подобным рецептором (NLR) или отсутствующим в меланоме 2 (AIM2) -подобным рецептором (ALR). NLR и

ALR опосредуют распознавание с патоген-ассоциированных молекулярных паттернов(PAMPs) при бактериальных, вирусных, грибковых инфекциях или молекулярных паттернов связанных с опасностью (DAMP), высвобождаемых во время повреждения клеток. Основныечлены семейства NLR известны:22 человеческих NLR и 34 мышиных NLRs. В 2002 году была описанаспособность NLRP1 образовыватьинфламмасомный

комплекс. Спустя десятилетие стало ясно, что другие члены NLR и семейство ALR, включая NLRP3, NLRC4 и AIM2, также могут образовывать инфламмасомы. Новые данные свидетельствуют о том, что человеческие NLRP2, NLRP7, IFI16,Pyrin и мышиный NLRP6, NLRP12 и Pyrin также активируют каспазу-1.Активированные NLR и ALR, в большинстве случаев, рекрутируют состоящий из двух частей белок, известный как апоптоз-ассоциированный пятнышко-подобный белок, содержащий домен – активирующий и усиливающий каспазу (ASC)

для активации каспазы-1. В макрофагах или дендритных клеткаNLR и ALR индуцируют реорганизацию цитоплазматического ASC в одно «пятнышко» от 0,8 до

1 мкМ, что считается отличительным признаком сборки инфламмасомы.

 

Недавние исследования показали, что искусственно созданные линии мышейс дефицитом капсазы-1 имели дефицит другого члена провоспалительной системы семействакаспаз - каспазы-11. Это обнаружение привело к дальнейшей характеристике отдельной роли каспазы-1 и каспазы-11 в

воспалительнойреакции. Обе эти провоспалительныекаспазы инициируют пироптоз, но

молекулярные и физиологические последствия, лежащие в основе механизмов действия каспазы-1- и каспазы-11, все еще неизвестны. Активация каспазы-1 и каспазы-11 приводит квысвобождению IL-1β и IL-18, но только каспаза-1 непосредственно расщепляет IL-1β и IL-18. Биологические активности IL-1β и IL-18 и пироптоза в значительной степени полезны для организма хозяина во время инфекции. Однако IL-1β и IL-18, индуцированные эндогенными сигналами опасности,являются фактором риска развития аутовоспалительных и метаболических заболеваний. Здесь мы приводим обзор последних достижений в области биологии воспаления с особым акцентом на регуляцию воспаления в области здоровья и болезней.

 

NLRP1 - инфламмасомы

NLRP1 был первым членом семейства NLR, который был идентифицирован как образующий инфламмасомы комплекс. Белок NLRP1 человека содержит N-концевой пириновый домен (PYD), нуклеотидсвязывающий домен (NBD), богатый лейцином (LRR) домен, «функция для поиска»(FIIND), и C-терминальный домен активирующий и усиливающий каспазу(CARD).В отличие от случая с человеком, геном мыши кодируеттри паралога Nlrp1, Nlrp1a, Nlrp1b, и Nlrp1c, все из которых не имеют PYD.

 

Летальный токсин сибирской язвы, производимый Bacillusanthracis, состоит из защитного антигена и смертельного фактора. Защитный антиген генерирует поры на мембране клетки-хозяина,через которые летальный фактор входит в клетку. Дальнейшие исследования показали, что летальный фактор расщепляет мышиный NLRP1b и крысиный NLRP1, чтобы индуцировать активацию инфламмасом. Сайт расщепления расположен в N-концевом домене мыши NLRP1b и крысы NLRP1. Последующее исследование продемонстрировало, что расщепление мышиного NLRP1b является достаточным для индуцирования активации каспазы-1 даже в отсутствие летального фактора, предполагают, что NLRP1b может иметь способность активировать воспаление в ответ на любой белок, который способен индуцировать расщепление NLRP1b.

Как восприимчивые, так и устойчивые формы мышиных NLRP1b расщепляются летальным фактором, однако только макрофаги, содержащие восприимчивую форму NLRP1b, подвергаются активации каспазы-1 и пироптозу. Резистентная форма неспособна к формированию инфламмасом после расщепленияNLRP1b. Дополнительные исследования показали, что аутопротеолитическоерасщепление в области FIIND человеческого NLRP1 или летучего токсин-восприимчивой формы мышиного

NLRP1b также приводит к образованию инфламмасомы. Напротив, область FIINDв

устойчивой к летальному токсину форме мышиного NLRP1b не расщепляется. Преобразование этой формы в отщепляемую форму путем мутагенеза неспособна сделать его способным активировать каспазу-1, предполагают, что восприимчивость NLRP1b к протеолитическому расщеплению не может объяснить различия в восприимчивости макрофагов к пироптозу в ответ на смертельный токсин сибирской язвы.

 

В макрофагах мыши, опосредуемое NLRP1b продуцирование IL-1β и пироптоз в ответ

на летучий токсинсибирской язвы происходит независимо от ASC и ASC-зависимого от каспазы-1 протеолиза. Эта деятельность возможна, потому что CARD и часть домена FIIND

NLRP1, по крайней мере в человеческом белке, может непосредственно взаимодействовать с CARD прокаспазы-1. Восстановление клеток с дефицитом каспазы-1 с нерасщепляемой формой прокаспазы-1 подтвердило, что протеолиз самой каспазы-1 не требуется для IL-1β активации и пироптоза при стимуляции летальным токсином. Однако ASC требуется для сборки инфламмасомы и для каспаза-1 – зависимогопротеолизав ответ на стимуляцию смертельным токсином. В этом контексте ASC частично способствует высвобождению IL-1β у мышиных макрофагов, стимулированных низкой дозой летального токсина, что указывает на то, что ASC обеспечивает NLRP1b улучшенную способность обнаруживать летальный токсин.

 

Мыши, содержащие восприимчивый вариант NLRP1b, который реагирует на летальный токсин, являются более защищеными от инфекции B. anthracis по сравнению с мышами, срезистентным NLRP1b. Это подтверждает физиологическую значимость

NLRP1b инфламмасомы в защите хозяина от B. Anthracis. Мутация, которая вызывает гиперактивацию мышиного NLRP1a из-за замещенияглутамина на пролинв области линкера между NBD и LRR-доменом NLRP1a, приводит к летальному системному воспалению. Мыши с дефицитом каспазы-1 или IL-1β, но не ASC или каспазы-11, в присутствии гиперактивной мутации NLRP1a, были защищены против заболевания. У людей генетические исследования показали, что мутации в NLRP1 связаны с

аутовоспалительнымизаболеваниями, в том числе Витилиго и болезнь ю Аддисона. Эти мутации, приводящие к проявлению аутовоспалительных заболеваний, еще предстоит определить.

 

Моноциты крови у индивидуумов, имеющихгомозиготныйгаплотип NLRP1,

связаны с восприимчивостью к Витилиго и другим аутоиммунным заболеваниям, вызванным повышенным уровни IL-1β, что указывает на то, что избыточное продуцирование IL-1β в результате NLRP1-инфламмасомной активности может быть фактором, способствующим развитию этих заболеваний. Выяснение молекулярного пути, который регулирует активацию NLRP1-инфламмасомы, необходимо для дальнейшего понимания его роли в инфекционных и аутовоспалительныхзаболеваниях.

 

 

NAIP-NLRC4инфламмасома

NLRC4 (также известный как IPAF, CARD12 или CLAN) был зарегистрирован в 2001 году и было показан,как он взаимодействуют с прокаспазой-1 и индуцирует протеолиз каспазы-1 и каспазу-1-зависимую клеточную смерть в клетках 293Т. Мышиные NLRC4-инфламмасомыактивируются флагеллином и внутренними белками системы секреции типа III S. Typhimurium (PrgJ), B. pseudomallei (BsaK), E. coli (EprJ и EscI), Shigellaflexneri (MxiI) и Pseudomonasaeruginosa (PscI).

Члены семейства NAIP (семейства NLR, семейства ингибиторов апоптоза) были позже

идентифицированныкак сенсорыинфламмасомыNLRC4. Геном мыши

кодирует семь паралогов (Naip1-7). Мышиные Naip5 и Naip6 распознают цитозольный

флагеллин, тогда как мышиные Naip1 и Naip2 распознают бактериальные и внутренние белки системы секреции типа III, соответственно. Функциональную роль мышиных

Naip3, Naip4 и Naip7, еще предстоит выяснить.

 

В отличие от случая с мышью, только один функциональный NAIP кодируется в геноме человека. NAIP распознает белок системы секреции III типа от S. Typhimurium (PrgI) и гомологичную субъединицу, обнаруженную в Chromobacteriumviolaceum (CprI), S.flexneri (MxiH), P. Aeruginosa(PscF), B. thailandensis (BsaL) и энтерогеморрагической E. coli (EprI) Способность распознавать флагеллин и компоненты бактериальных секреторных систем позволяют NLRC4 инфламмасомы, чтобы обеспечить защиту хозяев от ряда патогенов, включая S. Typhimurium, P. Aeruginosa, S. flexneri, C. rodentium, L. pneumopila, Listeriamonocytogenes, Klebsiellapneumoniae, Yersinia и C. albicans. В некоторых случаях чрезмерное воспалениеивызванное инфламмасомойNLRC4 в ответ на бактериальную инфекцию, наносит ущерб.

 

NLRC4 содержит CARD, который может напрямую взаимодействовать с CARD caspase-1 в

отсутствие ASC. Это взаимодействие может объяснить, почему NLRC4 способен индуцировать пироптоз независимо от ASC. Однако ASC служит для улучшения NLRC4-

опосредуемого IL-1β и IL-18 в клетке путем агрегирования в большое пятнышко, которое

каспазы-1 используют для протеолитического расщепления IL-1β. В макрофагах, инфицированных S.Typhimurium, эндогенный ASC образует внешнее ядро, окружающее внутреннее кольцо NLRC4, с каспазой-1 в центре пятнышка. NLRC4 инфламмасомывключают несколькоэффекторных белков в комплекс, включая каспазу-8, при инфицировании макрофагов S. Typhimurium.

 

Каспаза-8, как предполагают, индуцирует функции гибели клеток и способствует NLRP3 и про-IL-1β экспрессии. Кроме того, каспаза-7 активируется отNLRC4-инфламмасомы для облегчения лизосомного слияния с вакуолями, содержащими L.пневмофила. Индукция сборки инфламмасомыNLRC4 в ответ на инфицирование тифимуриитребует фосфорилирования, индуцированного Pkcδ-киназой, одного эволюционно консервативного остатка, Ser533, обнаруженного между NBD и C-терминальным LLRдоменомNLRC4. В другой статье, однако, утверждается, что Pkcδкиназа не участвует в активации инфламмасомыNLRC4 в ответ на сальмонеллы или шигеллы. Причина несоответствия между этими двумя исследованиями неизвестна и необходимы дополнительные эксперименты, чтобы решить, участвует ли Pkcδкиназа в активации NLRC4 –инфламмасомной реакции.

 

Активация NLRCинфламмасомывследствие инфекцирования сальмонеллой приводит к клеточной активации макрофагов, что имеет важные и разнообразные клеточные последствия. К ним относятся снижение пропускной способностимакрофага, чтобы взять больше бактерий, увеличить производство ROS, чтобы убить бактерии-резиденты,

и уменьшенное движение макрофагов для предотвращения распространения бактерий. В мышечных нейтрофилах активация NLRC4 инфламмасомыS. Typhimurium приводит к устойчивой секреции IL-1β без пироптоза,указывая на то, что пироптоз является специфическим для типа клеток, которые не всегда индуцируются активацией каспазы-1. Механизм предотвращения каспазы-1-зависимого пироптоза в нейтрофилах еще предстоит определить. Бактерии могут ингибировать экспрессию NLRC4 инфламмасомы.

 

ИнфламмасомыNLRC4 также опосредуют чувствительность S. Тифимуриив CD8α+ дендритных клетках, в результате чего высвобождение IL-18 индуцирует IFN-γ

производство клеток памяти CD8 + Т-клеток для борьбы с инфекцией. В дополнительных исследованиях были изучены специфические для клеточного типа роли инфламмасомыNLRC4 в желудочно-кишечном тракте. В отличие от мышиных макрофагов, полученных из костного мозга, кишечные мононуклеарные фагоциты индуцируют активацию инфламмасомыNLRC4, но не выделяют TNF-αв ответ на инфекцию S. Typhimurium и P. aeruginosa. Дефицит IL-1α и IL-1βили IL-18 не приводит к неспособности контролировать внутриэпителиальную бактериальную нагрузку. В дальнейшем

исследования о роли NLRC4 в желудочно-кишечном тракте показали, что NLRC4 дает

защиту от колоректального рака, вызванного азоксиметаном (AOM) и DSS.

 

МышиныйNLRC4 состоит из CARD, NBD, домена крылатой спирали (WHD), домена геликазы1 (HD1), HD2 и LRR. В отсутствие CARD мышь NLRC4

образует соленоидную форму. NBD и крылатая спиральная область (WHD) белка

взаимодействуют для поддержания аутоингибирования, тогда как С-концевые LRR-секвестры NLRC4 находятся вмономернои состоянии. Генетические исследования человека демонстрируют, что мутации с усилением функции в NLRC4 связаны с аутовоспалением и энтероколитом.

 

Один отчет показал, что несколько членов того же семейства с мутацией замещения p.Val341Ala в пределах домена NLRC4 HD1 приводят к повторному автоматическому воспалению и энтероколиту. Второй отчет обнаружил гетерозиготную мутацию denovo, приводящую к замене p.Thr337Ser в NBD NLRC4. Эта мутация связана с синдромом активации макрофагов (MAS) у семилетнего пациента, и предположили, что она сыграла роль в дестабилизации взаимодействия между доменами NBD и HD1, которое дает автоингибированиеNlrc4. Пациент страдал от рецидивирующей лихорадки, спленомегалии, патологии желудочно-кишечного тракта и системного повышения воспалительных маркеров. В третьем докладе описывается гетерозиготнаямиссенс-мутация у пяти пациентов в одной семье. Эта мутация приводит к трансфекции A> C (1589A> C мутации) в NBD NLRC4. Трансгенныймышиный штамм, несущий мутацию 1589A> C, имел дерматит и артрит, которые усиливались при воздействии холодной температуры. Мутации NLRC4, описанные во всех трех отчетах, способствуют спонтанной активации каспазы-1, повышении уровняпироптоза и усиленного продуцирования IL-1β и IL-18 в моноцитах или макрофагах.

 

AIM2 инфламмасома

AIM2 является инфламмасомым рецептором для двухцепочечной ДНК (dsDNA). AIM2

состоит из домена HIN-200 и PYD. Структурный анализ показал, чтоположительно заряженный домен HIN-200 охватывает dsDNA, тогда как PYD рекрутирует ASC

для активации каспазы-1. Анализ криоэлектронной микроскопией показал, что ASC и

каспаза-1 образуют нитевидные структуры после активации, инициированной AIM2 или NLRP3. Эти нитевидные структуры, вероятно, в конечном итоге образуют единуюинфламмасомное пятнышко, наблюдающееся в первичных макрофагах или дендритных клетках.

 

AIM2 инфламмасомы способствуют защите хозяина от множества бактериальных и

вирусных патогенов. К ним относятся Francisellatularensis, L.моноцитогены, Streptococcuspneumoniae, Mycobacteriumтуберкулез, цитомегаловирус (CMV) и вирус коровьей оспы. Молекулярныймеханизм, определяющий чувствительность ДНК к AIM2 во время бактериальной или вирусной инфекции, не ясен.Одно из различий между бактериальным и вирусным участием в сборке AIM2инфламмасомы заключается в том, чтосигнализация от интерферона типа I способствует активацииинфламмасомнойактивности AIM2 в ответ набактериальные патогены, такие как Francisella, но не в ответ на CMV-инфекцию мыши. Кроме того, для выхода бактерий из вакуоли и бактериолиза необходимы инфламмасомы AIM2 во время инфекции Francisella. Поскольку ДНКобнаружена во всех бактериальных патогенах и ДНК-вирусах, другой нерешенный вопрос заключается в том, почему только небольшое множество ДНК-содержащих патогенов активирует сборку инфламмасомыAIM2.

 

Недавние исследования показывают, что некоторые бактерии кодируют факторы вирулентности, чтобы избежать формирования AIM2 инфламмасомы. F. tularensissubspeciesnovicidaкодируетClustered, регулярную, короткую палиндромнуюповторительность-CRISPR-ассоциированную (CRISPR-Cas) систему, которая

способна усилить целостность бактериальной мембраны, чтобы предотвратить чрезмерный выход ДНК, таким образом, сводя к минимуму количество лигандов, доступных для AIM2 в цитоплазме. Было обнаружено, что ряд PYD-содержащих белков ингибирует сборку инфламмасомы AIM2.В человеке PYD-содержащий белок POP3 взаимодействует с PYD-доменом AIM2 иконкурирует с ASC, чтобы ингибировать активацию инфламмасомыAIM2 в ответ на поли-(dA: dT), мышиный CMV и модифицированный вирус вакцинации Анкара. Аналогично, мышиный p202, белок, содержащий два домена HIN, ингибирует инфламмасомы AIM2 через

механизм, требующий гомотипического взаимодействия между одного из доменов HIN p202 идомена HIN AIM2. В дополнение к пироптозу AIM2 способствуетапоптотическим реакциямсмерти клеток. Во время инфекцированияFrancisella каспаза-8 активирует

AIM2 инфламмасомы, происходит взаимодействие с PYD-доменом ASС. В отсутствие каспазы-1 каспаза-8 приводит к апоптотической гибели клеток через ASC-зависимый

механизм в ответ на инфекцию Francisella.

 

Нерегуемая экспрессия AIM2 в клетках человека связана с рядом заболеваний.

Повышенная экспрессия AIM2 связана с развитием псориаза, абдоминальной

аневризмы аорты и системной красной волчанкой, тогда как снижение AIM2

выраженно связано с колоректальнымраком и раком предстательной железы.Было показано, что ДНК, накопленная в кератиноцитах, активирует инфламмасомы AIM2

для стимулирования высвобождения IL-1β при псориатических поражениях, что свидетельствует о том, чтоAIM2 может реагировать на аутоДНК, высвобождаемую во время повреждения клетки, что ведет к хроническим воспалительным заболеваниям.

 

Анализ экспрессии AIM2 в 414 колоректальных опухолях и сопоставлениес

контрольными тканями показали, что в 67% опухолей наблюдали уменьшение экспрессии AIM2 по сравнению с контролем. Почти 50% пациентов, в чьих опухолевых клетках полностью отсутствуютинфламмасомы AIM2, умерло от рака в течение пяти лет после постановки диагноза, тогда как более 70% пациентов, у которых опухолевые клетки сохраняли некоторую экспрессию AIM2, выживали после пяти лет после постановки

диагноза. Почему существует связь между экспрессией AIM2 в опухолевых клетках и выживанием пациентом, неизвестно.

Активацией каспазы-1

 

В дополнение к хорошо устоявшимся воспалительным рецепторам NLRP1, NLRP3, NLRC4 и

AIM2, растет число исследований, демонстрирующих, что другие распознающие патогены

рецепторы могут синдуцироватьсборкуинфламмасомного комплекса. Последние результаты показывают, что человеческие и мышиныеPyrin обладают способностью собирать инфламмасомныйкомплекс. Пириновыеинфламмасомыиндуцируется цитотоксиномTcdBClostridiumdifficile и RhoinactivatingтоксиномVibrioparahaemolyticus, HistophilussomniиClostridiumботулизма. Ряд других врожденных иммунных рецепторов имеют многогранные функции. И NLRP6 и NLRP12 активируют каспазу-1. NLRP6 требуется для защиты хозяина от колита, вызванного DSSи Citrobacter. Восприимчивость к воспалению кишечника, вызванному DSS у мышей, не обладающих NLRP6, связано с их нарушенной способностью продуцировать IL-18, что указывает на роль NLRP6 при организации инфламмасомного комплекса. Во время заражения Citrobacter,

NLRP6, ASC и каспаза-1/11 были необходимы для защиты хозяина у мышей.

Тем не менее, мыши, не имеющие NLRP6, имели нормальные уровни IL-1β и IL-18 в течение инфекции, предполагая, и вполне возможно, что NLRP6 играет роль при инфекции Citrobacter. Действительно, NLRP6 подавляетмитоген-активированнуюпротеинкиназу (MAPK) и канонический путь NF-κB в макрофагах, инфицированных L. monocytogenes, E. coli и S. Typhimurium. NLRP12 активирует каспазу-1 в ответ на инфекцию Yersinia и Plasmodium. Однако NLRP12 не играет роли в организации инфламмасомногокомплекса в ответ на другие патогены, включая Salmonella, Klebsiella, Escherichia, Mycobacterium, и Listeria. Существует ли молекулярный переключатель, который определяет способность NLRP6 и NLRP12 активировать каспазу-1 или индуцировать противовоспалительные функции в ответ на специфический стимул, неизвестно.

 

Человеческий IFI16 учавствуетворганизацииинфламмасомного комплекса. IFI16 является членом семейства ALR, которыйпреимущественно находится в ядре и связывается с dsDNA. Инициатива IFI16 в организации инфламмасомного комплексав ответ на связанный с саркомой Капошигерпесвирус, Вирус Эпштейна-Барраи вирус простого герпеса-1, доказана.

 

 

Обзор

Биология инфламмасом - одна из самых быстрорастущих областей иммунологии.

Запоследние 10 лет инфламмасомы были общепризнаны за их роль в защите хозяев

против инвазивных патогенов и развития рака, аутовоспалительных, метаболических и

нейродегенеративные заболеваний. Сборка воспалительного комплекса требует связыванияс патоген-ассоциированным молекулярным паттерном или молекулярным паттерномсвязанным с опасностью NOD-подобного рецептора (NLR) или отсутствующего в 2-типе меланомы рецептора (ALR). NLR и ALR активируют каспазу-1, в большинстве случаев требуя связывания

со специфичнымбелком, содержащимCARD (ASC), необходимого для каталитического протеолитического расщепления проинтерлейкина-1β(про-IL-1β) и про-IL-18 и возбужденияпироптоза. Недавние исследования показывают, что

каспаза-8, каспаза-11, IL-1R-ассоциированные киназы (IRAK) способствуют активации воспалительных функций. Кроме того, посттрансляционные модификации,

включая убиквитинирование, дезубиквитинирование, фосфорилирование и деградация, контролируют почти все аспекты воспаления. Генетические исследования показывают, что мутации в NLRP1, NLRP3, NLRC4 и AIM2 связаны с развитием аутовоспалительных заболеваний, энтероколитов и рака. В целом, эти данные обобщают наше понимание основной биологии и клинической актуальности воспалительных заболеваний. В этом обзоре мы даем обзор последней разработки исследования воспалительных заболеваний и обсуждаем, как воспалительные механизмы регулируют здоровье и болезни.

 

 

Ключевые слова

инфламмасома; NLR; каспазы-1; каспазы-8; каспазы-11; IL-1

 

Введение

Инфламмасомы представляют собой мультимерные белковые комплексы, которые образуются в клетке для организации механизмов защиты хозяев от инфекционных агентов. Сборка комплекса инфламмасом инициируется NOD-подобным рецептором (NLR) или отсутствующим в меланоме 2 (AIM2) -подобным рецептором (ALR). NLR и

ALR опосредуют распознавание с патоген-ассоциированных молекулярных паттернов(PAMPs) при бактериальных, вирусных, грибковых инфекциях или молекулярных паттернов связанных с опасностью (DAMP), высвобождаемых во время повреждения клеток. Основныечлены семейства NLR известны:22 человеческих NLR и 34 мышиных NLRs. В 2002 году была описанаспособность NLRP1 образовыватьинфламмасомный

комплекс. Спустя десятилетие стало ясно, что другие члены NLR и семейство ALR, включая NLRP3, NLRC4 и AIM2, также могут образовывать инфламмасомы. Новые данные свидетельствуют о том, что человеческие NLRP2, NLRP7, IFI16,Pyrin и мышиный NLRP6, NLRP12 и Pyrin также активируют каспазу-1.Активированные NLR и ALR, в большинстве случаев, рекрутируют состоящий из двух частей белок, известный как апоптоз-ассоциированный пятнышко-подобный белок, содержащий домен – активирующий и усиливающий каспазу (ASC)

для активации каспазы-1. В макрофагах или дендритных клеткаNLR и ALR индуцируют реорганизацию цитоплазматического ASC в одно «пятнышко» от 0,8 до

1 мкМ, что считается отличительным признаком сборки инфламмасомы.

 

Недавние исследования показали, что искусственно созданные линии мышейс дефицитом капсазы-1 имели дефицит другого члена провоспалительной системы семействакаспаз - каспазы-11. Это обнаружение привело к дальнейшей характеристике отдельной роли каспазы-1 и каспазы-11 в

воспалительнойреакции. Обе эти провоспалительныекаспазы инициируют пироптоз, но

молекулярные и физиологические последствия, лежащие в основе механизмов действия каспазы-1- и каспазы-11, все еще неизвестны. Активация каспазы-1 и каспазы-11 приводит квысвобождению IL-1β и IL-18, но только каспаза-1 непосредственно расщепляет IL-1β и IL-18. Биологические активности IL-1β и IL-18 и пироптоза в значительной степени полезны для организма хозяина во время инфекции. Однако IL-1β и IL-18, индуцированные эндогенными сигналами опасности,являются фактором риска развития аутовоспалительных и метаболических заболеваний. Здесь мы приводим обзор последних достижений в области биологии воспаления с особым акцентом на регуляцию воспаления в области здоровья и болезней.

 

NLRP1 - инфламмасомы

NLRP1 был первым членом семейства NLR, который был идентифицирован как образующий инфламмасомы комплекс. Белок NLRP1 человека содержит N-концевой пириновый домен (PYD), нуклеотидсвязывающий домен (NBD), богатый лейцином (LRR) домен, «функция для поиска»(FIIND), и C-терминальный домен активирующий и усиливающий каспазу(CARD).В отличие от случая с человеком, геном мыши кодируеттри паралога Nlrp1, Nlrp1a, Nlrp1b, и Nlrp1c, все из которых не имеют PYD.

 

Летальный токсин сибирской язвы, производимый Bacillusanthracis, состоит из защитного антигена и смертельного фактора. Защитный антиген генерирует поры на мембране клетки-хозяина,через которые летальный фактор входит в клетку. Дальнейшие исследования показали, что летальный фактор расщепляет мышиный NLRP1b и крысиный NLRP1, чтобы индуцировать активацию инфламмасом. Сайт расщепления расположен в N-концевом домене мыши NLRP1b и крысы NLRP1. Последующее исследование продемонстрировало, что расщепление мышиного NLRP1b является достаточным для индуцирования активации каспазы-1 даже в отсутствие летального фактора, предполагают, что NLRP1b может иметь способность активировать воспаление в ответ на любой белок, который способен индуцировать расщепление NLRP1b.

Как восприимчивые, так и устойчивые формы мышиных NLRP1b расщепляются летальным фактором, однако только макрофаги, содержащие восприимчивую форму NLRP1b, подвергаются активации каспазы-1 и пироптозу. Резистентная форма неспособна к формированию инфламмасом после расщепленияNLRP1b. Дополнительные исследования показали, что аутопротеолитическоерасщепление в области FIIND человеческого NLRP1 или летучего токсин-восприимчивой формы мышиного

NLRP1b также приводит к образованию инфламмасомы. Напротив, область FIINDв

устойчивой к летальному токсину форме мышиного NLRP1b не расщепляется. Преобразование этой формы в отщепляемую форму путем мутагенеза неспособна сделать его способным активировать каспазу-1, предполагают, что восприимчивость NLRP1b к протеолитическому расщеплению не может объяснить различия в восприимчивости макрофагов к пироптозу в ответ на смертельный токсин сибирской язвы.

 

В макрофагах мыши, опосредуемое NLRP1b продуцирование IL-1β и пироптоз в ответ

на летучий токсинсибирской язвы происходит независимо от ASC и ASC-зависимого от каспазы-1 протеолиза. Эта деятельность возможна, потому что CARD и часть домена FIIND

NLRP1, по крайней мере в человеческом белке, может непосредственно взаимодействовать с CARD прокаспазы-1. Восстановление клеток с дефицитом каспазы-1 с нерасщепляемой формой прокаспазы-1 подтвердило, что протеолиз самой каспазы-1 не требуется для IL-1β активации и пироптоза при стимуляции летальным токсином. Однако ASC требуется для сборки инфламмасомы и для каспаза-1 – зависимогопротеолизав ответ на стимуляцию смертельным токсином. В этом контексте ASC частично способствует высвобождению IL-1β у мышиных макрофагов, стимулированных низкой дозой летального токсина, что указывает на то, что ASC обеспечивает NLRP1b улучшенную способность обнаруживать летальный токсин.

 

Мыши, содержащие восприимчивый вариант NLRP1b, который реагирует на летальный токсин, являются более защищеными от инфекции B. anthracis по сравнению с мышами, срезистентным NLRP1b. Это подтверждает физиологическую значимость

NLRP1b инфламмасомы в защите хозяина от B. Anthracis. Мутация, которая вызывает гиперактивацию мышиного NLRP1a из-за замещенияглутамина на пролинв области линкера между NBD и LRR-доменом NLRP1a, приводит к летальному системному воспалению. Мыши с дефицитом каспазы-1 или IL-1β, но не ASC или каспазы-11, в присутствии гиперактивной мутации NLRP1a, были защищены против заболевания. У людей генетические исследования показали, что мутации в NLRP1 связаны с

аутовоспалительнымизаболеваниями, в том числе Витилиго и болезнь ю Аддисона. Эти мутации, приводящие к проявлению аутовоспалительных заболеваний, еще предстоит определить.

 

Моноциты крови у индивидуумов, имеющихгомозиготныйгаплотип NLRP1,

связаны с восприимчивостью к Витилиго и другим аутоиммунным заболеваниям, вызванным повышенным уровни IL-1β, что указывает на то, что избыточное продуцирование IL-1β в результате NLRP1-инфламмасомной активности может быть фактором, способствующим развитию этих заболеваний. Выяснение молекулярного пути, который регулирует активацию NLRP1-инфламмасомы, необходимо для дальнейшего понимания его роли в инфекционных и аутовоспалительныхзаболеваниях.

 

 

Canonical NLRP3 inflammasome

NLRP3 (также известный как CIAS1, криопирин, NALP3 и Pypaf1) реагирует на широкий спектр PAMP и DAMP, включая бактериальную РНК, бактериальную ДНК, гибриды РНК,

мурамиловый дипептид (MDP), ДНК и РНК-вирусы, грибы, простейшие, АТФ, кристаллы мочевой кислоты, диоксид кремния, гидроксид алюминия, асбест и пчелиный яд. Активация NLRP3 инфламмасомы в макрофагах требуется два сигнала. Первый сигнал, известный как(TLR), NOD2, TNFR1 или TNFR2, который

взаимодействует с NF-κB-опосредованной экспрессией NLRP3. Второй сигнал обеспечивается PAMP или DAMP, который активирует NLRP3 для запуска сборки инфламмасомы, IL-1β и IL-18 активации и пироптоза. Только первый сигнал необходим для секреции IL-1β у человеческих моноцитов, возможно, благодаря экспрессии конститутивно активной каспазы-1 в этих клетках.

 

Разнообразные PAMP и DAMP, обнаруженные в NLRP3, ясно указывают на то, что NLRP3 маловероятно непосредственно взаимодействуют со всеми этими активаторами. Вместо этого более вероятным является то, что происходит индукция конформационного изменения в NLRP3, которое преобразует его из неактивной в активную. Нет единого мнения в отношении точного механизма активации инфламмасомыNLRP3. Было предложено несколько механизмов, включая дисфункцию, ассоциированную с митохондриями [митохондриальныеактивные формы кислорода (ROS), окисленная митохондриальная ДНК, транслокациякардиолипина из внутренней во внешнюю митохондриальную мембрану], отток калия,увеличение внутриклеточного кальция и уменьшение клеточного циклического АМФ, фагосомная дестабилизация, порообразующие действия, обусловленные бактериями, и изменения в объеме клеток.

 

Работа нашей лаборатории и других показала, что каспаза-8 и ее адаптер Fas-связанный домен смерти (FADD) белка необходимы как для прайминга, так и для активации инфламмасомы NLRP3 в макрофагах. Поскольку каспаза-8 имеет важное значение для начального сигнала, было сложно определить, влияет ли каспаза-8 на активацию инфламмасомы NLRP3. Однако,фармакологическое ингибирование каспазы-8 после прайминга ингибирует каноническую активацию NLRP3 инфламмасомы.

Однако в одном из исследований показано, что каспаза-8 подавляет активность NLRP3 в дендритных клетках. Каспаза-8-дефицитные дендритные клетки высвобождают IL-1β после стимуляции LPS независимо от NLRP3 активности. В отличие от дендритных клеток, каспаза-8 способствует усиленной активации NF-κB в ответ на стимуляцию TLR в макрофагах, T -клетках, В-клеткахи NK-клетках.

 

Другие исследования показали, что каспаза-8 и FADD необходимы для выработки каспазы-1 и гибели клеток, вызванной инфекцией Yersinia. При инфекции Yersinia, RIP1, но

не RIP3, способствует активации каспазы-1. В ответ на везикулярный стоматитный

вирус, РНК-вирус, RIP1 и RIP3 образуют комплекс для повреждения митохондрий и

ROS, что приводит к активации инфламмасомы NLRP3. RIP2, однако,

усиливает аутофагию митохондрий или митофагов, чтобы предотвратить накопление ROS и гасит активацию инфламмасомыNLRP3 во время инфицирования вирусом гриппа A.

Последующая модификация NLRP3 может либо активировать, либо подавлять

Активацию инфламмасомы. Например, дезубиквитинирование LRR-домена NLRP3 с помощью BRCC3, и JAMM-содержащий Zn2 + металлопротеазыдезубекинитирующий фермент, приводит к активацииинфламмасомы. Напротив, оксид азота индуцирует S-нитрозилированиеNLRP3 и каспазы-1 и предотвращает сборку инфламмасомы. Эти исследования в совокупности предоставляют доказательства того, что каспаза-8, FADD, IRAK, RIP-киназы и посттрансляционныемодификации жестко контролируют активацию и подавляют сборку канонической NLRP3 инфламмасомы. Как эти регуляторы могут быть нацелены и использоваться для разработки иммунотерапии, еще предстоит изучить.

 

 

Генетические исследования в популяциях человека показали, что мутации в гене NLRP3 являются связанными с развитием группы аутовоспалительных состояний, известных как

«связанные с криопирином периодические синдромы (CAPS)». Эти условия включают семейный холодный аутовоспалительный синдром, синдром Маккле-Уэллса и неонатальное начальное мультисистемное воспалительное заболеваниеили хронический инфантильный неврологический кожный и суставной синдром (CINCA). Пациенты с CAPS продуцируют повышенное количество IL-1βпо сравнению со здоровыми людьми.

Исследования, проведенные с использованием штаммов knockinmouse, показали, что

CAPS-ассоциированные мутации NLRP3, каспаза-1, IL-1β и IL-18 в совокупности вносят вклад в болезни. Другие элегантные модели мыши дали представление о роли

NLRP3 инфламмасомы при подагре, диабете типа 2, ожирении, атеросклерозе, ревматоидномартрите, безалкогольном жировом заболевании печени, заболевании костей, воспалительном заболевании кишечника, колоректальном раке, болезни Альцгеймера и старении.

 

Недавние исследования в нашей лаборатории выявили двойную роль каспазы-1 и каспазы-8 в модулировании IL-1β-опосредованной болезни костей.