Глава 1: Ролята на инфламазомите при гломерулонефрит

За повече информация. контактtina.xiang@wecistanche.com

Резюме: Theвъзпалителене имунен мултипротеинов комплекс, който активира про-каспаза 1 в отговор на стимули, предизвикващи възпаление, и води до продуциране на провъзпалителни цитокини на IL-1 и IL-18. Инфламазомите NLRP1 и NLRP3 са най-добре характеризирани и са свързани с няколко автоимунни заболявания. Добре известно е, че бъбрекът експресира инфламазомни гени, които могат да повлияят на развитието на някоигломерулонефрит, като лупусен нефрит, ANCA гломерулонефрит, IgA нефропатия и анти-GBM нефропатия. Описано е също, че полиморфизмите на тези гени играят роля в автоимунните ибъбречни заболявания. В този преглед ние описваме основните характеристики, механизми на активиране, регулиране и функции на различните инфламазоми. Освен това, ние обсъждаме най-новите открития за ролята на инфламазомата в няколко гломерулонефрита от три различни гледни точки: in vitro, изследвания върху животни и хора.

Ключови думи: възпалителни; NLRP3; гломерулонефрит; вроден имунитет

Щракнете тук, за да научите за предимствата на екстракта от Cistanche tubulosa

1. Инфламазомата

Имунната система се състои от две рамена, вроден и адаптивен имунитет, които са отговорни както за незабавния, така и за дългосрочния имунитет към патогенни и непатогенни антигени. Вроденият имунитет открива инфекции, промени в клетъчната хомеостаза и увреждане на тъканите, като впоследствие генериравъзпаление, възстановяване на тъканите и възстановяване на хомеостатичния баланс. Тези ефекти се подпомагат от разпознаването на свързаните с патогени молекулярни модели (PAMPs) и свързаните с увреждане молекулярни модели (DAMPs). PAMPs и DAMPs се свързват с рецептори за разпознаване на образи, които включват Toll-подобни рецептори (TLRs), цитоплазмени NOD-подобни рецептори (NLRs) и отсъстват в меланомни 2-подобни рецептори (AIM2). Предишни проучвания демонстрираха ролята на няколко членове на семейството на NLR при образуването на инфламазоми, мултипротеинови комплекси, способни да разпознават стимули, предизвикващи възпаление. Тези комплекси активират прокаспаза-1, която е отговорна за разцепването на множество субстрати, главно провъзпалителните цитокини IL-1 и IL-18. Освобождаването на тези цитокини от инфламазомата може също да се извърши чрез възпалителна форма на програмирана клетъчна смърт, наречена пироптоза [4]. Следователно, активирането на инфламазомата развива активност на вроден имунитет в отговор на тъканна инфекция. Неинфекциозният стимул също може да активира инфламазомата. Въпреки че инфламазомите могат да бъдат активирани от много членове на семейството на NLR, този преглед ще се съсредоточи главно върху инфламазомата NLRP3 и NLRP1, NLRC4 и протеини, липсващи в меланома 2 (AIM2) (Фигура la), също важни за многоимунни заболявания. Освен това ще бъде разгледана ролята на тези комплекси при различни гломерулонефрити.

Фигура 1. Структура на инфламазома и механизъм на активиране. (a) Схематично представяне на NLRP3 възпалителна сглобка и подробно потвърждение на NLRP3 скеле, адапторен апоптозен петноподобен протеин (ASC) и ефекторната прокаспаза-1. (b) Структура на NLRP1, NLRP3, NLRC4 и AIM2, които участват в образуването на основните инфламазоми. Членовете на семейството на NLR (NLRP1, NLRP3, NLRC4) съдържат богати на левцин повторения (LRR) и централен нуклеотид-свързващ домен (NBD). N-терминалният PYD домейн присъства в членовете на NLRP подсемейството, докато NLRC4 представя CARD домейн. NLRP1 също съдържа C-терминално разширение, съдържащо домейн функция за намиране (FIIND) и домейн CARD. AIM2 е съставен от N-краен PYD домен и С-краен HIN (хемопоетичен, интерферон-индуцируем и ядрено локализиран) домен. ( c ) Пътища за активиране на NLRP3 и ефекторни функции. Сглобяването на инфламазома на NLRP3 може да бъде задействано по няколко начина: откриване на PAMPs и DAMPs чрез PRRs, стимулиране на цитокини чрез IL-1 рецептор (IL-1R) или чрез TNF връзка към рецептори на тумор некрозис фактор (TNF) TNFR1 и TNFR2. Тези елементи задействат транскрипцията на NF-kB, което насърчава транскрипцията на NLRP3 и IL1B гените; това е първият сигнал или прайминг. Вторият сигнал или активиране може да бъде произведен от йонен поток, K ефлукс, Ca2 плюс приток, Nat приток и Cl ефлукс, реактивни кислородни видове (ROS) и митохондриална дисфункция или лизозомно увреждане. Сглобяването на инфламазома на NLRP3 провокира протеолитично съзряване на IL-1 и IL-18 цитокини, които също участват в развитието на автоимунитет и пироптоза чрез действието на gasdermin-D. Първичен отговор на протеинова миелоидна диференциация 88, MyD88; апоптоза сигнал-регулираща киназа, ASK; кинази интерлевкин 1 рецептор-свързана киназа, IRAK; каспаза-8, CASP8; Fas-свързан протеин с домен на смърт, FADD; P2X пуриноцептор 7, P2X7R; преходен рецепторен потенциал меластатин, TRPM; преходен рецептор потенциал ванилоид, TRPV. Фигура 1 е създадена с BioRender.com.

2. Семейство NLR инфламазоми

Семейството на NLR се състои от 23 човешки гена. Членовете на това семейство показват общи структурни елементи: С-терминална серия от богати на левцин повторения (LRRs) и централни нуклеотид-свързващи домени (NBD), компонент на по-големия NACHT домен. Освен това, членовете на семейството на NLR могат да бъдат разделени на различни подфамилии в зависимост от техния N-терминален ефекторен домен: домейн за активиране и набиране на каспаза (CARD), бакуловирусен инхибитор на повторение на апоптозен протеин (BIR) или пиринов домейн (PYD). Подсемействата NLRP и NLRC са най-важните, като първото е най-добре охарактеризираното подсемейство на NLR. Членовете на NLRP подсемейството имат PYD домейни в своя N-терминал, докато NLRC протеините имат един или повече CARD домейни [8-10]. Членовете на семейството на NLR NLRP1, NLRP3 и NLRC4 са най-добре проучени при образуването на инфламазома.

2.1.Подсемейство NLRP

Подсемейството NLRP се състои от 14 члена в човешкия геном, плюс 3 паралога при мишки, като NLRP1 (NALP1/CARD7) е първият описан при образуването на инфламазоми. Неговата структура се състои от N-терминален PYD, последван от NACHT домейн и LRRs. Това се допринася и от С-терминално разширение, съдържащо функция за намиране на домейн (FIIND), който автоматично обработва NLRP1 в две полипептидни вериги, и CARD домейн, който води до активиране на каспаза-1 и последващото про - освобождаване на възпалителни цитокини. Съобщава се, че мутациите на NLRP1 могат да играят роля при възпалителни заболявания като псориазис [15], ревматоиден артрит (RA) [16] или при системен лупус еритематозус (SLE).

NLRP3 инфламазома (Cryopyrin/Nalp3/Cias1/Pypaf1) е най-широко изследваната и е единственият известен член, който се активира от множество патогенни и стерилни възпалителни сигнали. Освен това, NLRP3 играе роля в регулирането на производството на IL-1 в макрофагите [18,19]. NLRP3 се състои от NLRP3 скеле, адаптерен апоптозен протеин, подобен на петна (ASC) и ефекторната прокаспаза-1. Той взаимодейства с ASC чрез PYD-PYD хомотипни взаимодействия, за да насърчи образуването на инфламазома чрез набиране и активиране на прокаспаза-1 за генериране на активна каспаза-1(Фигура lb). Този ефекторен протеин води до превръщането на цитокиновите прекурсори pro-IL-1 и pro-IL-18 в зрели и биологично активни IL-1 и IL-18. Основното внимание, отделено на инфламазомата NLRP3, се дължи най-вече на нейното участие в патогенезата на няколко човешки възпалителни заболявания, особено свързаните с криопирин периодични синдроми (CAPS) [21]. Фокусирайки се върху неговата критична роля в регулирането на възпалението, инфламазомата NLRP3 може да бъде от голямо значение за терапиите, насочени към възпалението.

2.2. Подсемейство IPAF-NAIP

Неговият най-добре проучен елемент, NLRC4(IPAF/CARD12), преди това беше характеризиран като ICE-протеаза активиращ фактор (IPAF) по отношение на способността му да активира каспаза-1. Въпреки това, последващи проучвания ясно поставят структурата на домейна му в семейството на NLR и тъй като притежава CARD домейн, той е преименуван на NLRC4. CARD домейнът му позволява директно да се свърже с CARD на каспаза -1 без участието на ASC [24]. NLRC4 обаче е в състояние да се свърже с ASC и ефективно да активира каспаза-1, както и каспаза-8 и апоптотична каспаза.

NLRC5 е по-малко известна инфламазома, която свързва както вродените, така и адаптивните имунни отговори чрез регулиране на експресията на основен комплекс за хистосъвместимост (MHC) I клас. Той се експресира в макрофаги, дендритни клетки, Т клетки, В клетки и фибробласти [27]. Освен това, наблюдавано взаимодействие с NLRP3 инфламазомата изглежда има синергичен ефект върху разцепването на IL-1, като по този начин може положително да модулира активирането на NLRP3 инфламазома [28]. Следователно NLRC5 може да образува функционална инфламазома, но са необходими повече изследвания, за да се знае по-точно нейната физиологична функция.

Освен това NOD1 е основателят на фамилията NLR и заедно с NOD2 те бяха първите NLR, идентифицирани като сензори за PAMP [29]. NOD1(NLRC1) и NOD2(NLRC2)рецепторите могат да активират NF-kB и да доведат до производството на възпалителни цитокини. Въпреки това не е описано, че те образуват възпалителен комплекс.

3. Не-NLR семейство инфламазоми

Наскоро други инфламазоми, които не принадлежат към семейството на NLR, бяха широко описани, като протеините, липсващи в меланома 2 (AIM2) и пирин инфламазомите. AIM2 беше описан като сензор, способен да задейства активиране на инфламазома, пироптоза и освобождаване на IL-1 и IL-18 в отговор на откриване на вътреклетъчно доставена двойноверижна ДНК (dsDNA) [31]. AIM2 е член на ALR семейството от протеини, съставен от N-краен PYD домен и С-краен HIN (хемопоетичен, интерферон-индуцируем и ядрено локализиран) домен. Освен това, той регулира негативно възпалението и отговорите на интерферон тип I (IFN), независимо от неговата възпалителна функция [33]. Различни проучвания изясняват връзката между повишената експресия на AIM2 и няколко човешки заболявания, като атеросклероза, кожни заболявания и хронични бъбречни заболявания.

4. Механизми на NLRP3 инфламазомна активация

Инфламазомата може да се разбира като двустранен елемент и регулира патогенната инфекция, но когато задействаният имунен отговор не е строго регулиран, той може да бъде включен в патологии като CAPS и автовъзпалителни разстройства [21]. Инфламазомите могат да разпознаят голямо разнообразие от ендогенни или екзогенни, стерилни или инфекциозни стимули в клетката (PAMP и DAMP), които задействат нейното сглобяване и активиране. Този процес може да се обясни, като се вземат предвид сензорите нагоре по веригата, разпознаващи активиращи сигнали, адаптерите и ефекторите надолу по веригата ]35. Неосъществимостта на директното взаимодействие между NLRP3 и това разнообразие от стимули доведе до клетъчно събитие, предизвикващо конформационна промяна в NLRP3, превръщайки го в активна форма. Въпреки това, няма уникален механизъм за активиране на инфламазомата NLRP3 36]. Активирането на NLRP3 може да бъде задействано чрез откриване на PAMPs и DAMPs чрез PRRs, като TLRs и NLRs, чрез стимулиране на цитокини чрез IL-1 рецептор (IL-1R) или чрез TNF връзка с тумор некрозис фактор (TNF )рецептори TNFR1 и TNFR2 [37]. Освен това има медиатори, които улесняват сигналната трансдукция на тези рецептори: първичният отговор на миелоидната диференциация на адапторния протеин 88 (MyD88), киназата, регулираща сигнала на апоптозата (ASK) 1 и ASK2, киназата, свързана с рецептора на интерлевкин 1 (IRAK) 1 и IRAK4, каспаза-8(CASP8), Fas-асоцииран протеин с домейн на смъртта (FADD), убиквитин-свързващ протеин SHARPIN и TRAF-взаимодействащ протеин с домейн, свързан с вилица (TIFA). Всички тези елементи задействат транскрипцията на NF-kB, която насърчава транскрипцията на NLRP3 и IL1B гените, хабилитирайки клетката да реагира на NLRP3 активатори.

Активирането на инфламазома на NLRP3 в макрофагите е процес в две стъпки, поради което изисква първичен сигнал. В процеса на праймиране, неактивиращ стимул предизвиква транскрипционната експресия на основните компоненти на инфламазомата, като това е първото попадение. Вторият стимул или „вторият удар“ влошава функционалната активност на NLRP3 инфламазомата [39]. Активирането на NLRP3inflammasome може да бъде произведено от различни стимули, включително йонен поток, К плюс ефлукс, Ca2 плюс приток, Na плюс приток и Cl- ефлукс, реактивни кислородни видове (ROS) и митохондриална дисфункция или лизозомно увреждане. K плюс ефлуксните канали P2X пуринорецептор 7 (P2X7R) участват в този тип активиране на инфламазома. Други резидентни на плазмената мембрана Ca2 плюс канали, а именно преходен рецепторен потенциал меластатин 2 (TRPM2), TRPM7 и преходен рецепторен потенциал ванилоид 2 (TRPV2), могат да доведат до приток на Ca2 плюс към цитозола [21] (Фигура lc). Митохондриите регулират хомеостазата и реагират на промените във вътреклетъчния K plus и ROS, което води до митохондриална дисфункция и апоптоза. Освен това митохондриалното апоптотично сигнализиране, стимулирано от NF-kB, причинява производството на IL-1. Окислената митохондриална ДНК се освобождава като следствие от митохондриална дисфункция и апоптоза и директно активира инфламазомата NLRP3 [40-42].

Освен NLR-ASC-каспаза-1 канонично активиране на инфламазома, има и неканонична инфламазома, характеризираща се с нейното активиране чрез каспаза-1l при мишки с човешките ортолози каспаза-4/ 5. Каспаза -11 разпознава липополизахарид (LPS), трансфектиран в цитозола от грам-отрицателни бактерии, директно свързвайки се с неговия CARD домейн. Той инициира протеолитично съзряване на IL-1, както и пироптотична клетъчна смърт по GSDMD-зависим начин [35,43]. Неканонично активиране на инфламазома от компонент на LPS беше показано в предишно проучване, при което мишки без каспаза-1l бяха резистентни към LPS-индуцирана смъртност, дори в присъствието на TLR4 [44]. Въпреки това, от каноничните и неканоничните инфламазоми, се наблюдава алтернативен път на активиране на инфламазома. Не изисква изтичане на K плюс, индуциране на образуване на ASC петънца или водещо до последваща пироптоза и се разпространява от TLR4-TRIF-RIPK1-FADD-CASP8 сигнализиране нагоре по веригата на NLRP3.

NLRP3 инфламазомата може да се регулира на посттранскрипционно и посттранслационно ниво. На пост-транскрипционно ниво, епигенетични фактори като метилиране на ДНК и ацетилиране на хистони могат да регулират експресията на NLRP3 mRNA в отговор на инфекция с Mycobacterium tuberculosis. Дисрегулацията на епигенетичните механизми може да допринесе за патологичното развитие на автовъзпалителни синдроми чрез регулиране на експресията на инфламазомни компоненти. МикроРНК също се изследват като пост-транскрипционни регулатори на NLRP3 инфламазоми (miR-223, miR-133a, miR-7, miR-30e..)[35,47] . Активирането на инфламазома на NLRP3 може също да се регулира чрез пост-транслационни модификации, главно фосфорилиране и убиквитиниране. Тези модификации често са свързани. Те могат да провокират различни съдби на протеина NLRP3, включително модификация на взаимодействащи протеинови мрежи, трафик, промяна в субклетъчната локализация, активиране/инхибиране на ензимната активност и протеазомно, лизозомно или автофагично разграждане [48]. Всъщност, скорошно проучване показа, че фосфорилирането на NLRP3 в неговия LRR домейн може да регулира сглобяването на инфламазома.

5. Ефекторни функции на възпалението

Както беше посочено по-горе, инфламазомите играят решаваща роля във вродената имунна система чрез способността си да контролират активирането на протеолитичния ензим каспаза-1, което води до протеолитично съзряване на провъзпалителните цитокини IL-1 и IL{ {2}}, както и клетъчна смърт от пироптоза [50]. Зрелият IL-1 се свързва с IL-1R, насърчавайки хетеродимеризацията на рецептора и последващото набиране на компоненти като MyD88. IL-1 води до освобождаване на други цитокини като IL-1, IL-6 и TNF-, както и други фактори, които контролират растежа и диференциацията на имунните клетки. IL-18 участва в много физиологични пътища. По-високото ниво на IL-18 може да причини метаболитни синдроми. Например, хронично възпаление, генерирано в мастните тъкани, може да доведе до инсулинова резистентност и захарен диабет тип 2.

Друг важен процес, извършван от инфламазомите, е литична форма на програмирана клетъчна смърт, наречена пироптоза. Както каноничното инфламазомно сигнализиране, набиране на каспаза-1, така и неканоничното инфламазома, чрез каспаза-4, каспаза-5(при хора) и каспаза-11 (при мишки), могат да задействат пироптоза. Характеризира се с подуване на клетките, лизис на мембраната и освобождаване на възпалителни съединения в извънклетъчното пространство, като IL-1, IL-6 и IL-18. Предишни проучвания показват, че ръководителите, група от образуващи пори ефекторни протеини, могат да играят индуцирана от възпалителна каспаза пироптоза, като N-терминалният домейн на gasdermin-D е достатъчен, за да задейства процеса. Освен това каспаза-8-зависимата апоптоза е допълнителен път в резултат на активиране на инфламазома. Инфламазомите AIM2 и NLRP3 показват разцепени форми на апикална каспаза-8 и екзекуторна каспаза-3 в отговор съответно на цитозолна ДНК и нигерицин. Процесът протича независимо от каспаза-1, но зависи от инфламазомния адаптер ASC. Интересно е, че скорошно проучване описва капацитета на Z-ДНК свързващия протеин 1 (ZBP1), вроден имунен сензор, способен да активира клетъчна смърт под формата на пироптоза, апоптоза и некроптоза (PANoptosis) заедно с NLRP3 инфламазома.

Докато ефекторните функции са широко проучени, има няколко допълнителни роли на инфламазомните комплекси, които са по-малко характеризирани. IL-1 е цитоплазмен протеин без лидер, чиито механизми на секреция са слабо дефинирани. Показан е ендоплазмен ретикулум (ER)/независим от Голджи механизъм, наречен „неконвенционална протеинова секреция“, и той зависи от активирането на каспаза-1. Въпреки това, специфичните механизми и молекулярните компоненти, включени в този процес, са неясни. Друга нововъзникваща роля на инфламазомите е активирането на ейкозаноиди, биоактивни молекули, получени от мембранни липиди, които играят роля в хомеостатичните и патологични процеси. Освен това е наблюдавана връзка между активиране на инфламазома и аутофагия, както и регулиране на съзряването на фагозома.

6. Ролята на инфламазомата в адаптивния имунитет и автоимунитета

Производството на провъзпалителни цитокини е от решаващо значение за ефективния вроден отговор, както и за механизъм, чрез който вродената имунна система влияе върху последващото развитие на адаптивен имунен отговор. Както е добре известно, инфламазомите са компоненти на вродената имунна система, които произвеждат провъзпалителните цитокини IL-1 и IL-18, и те стимулират диференциацията на специфични линии на хелперни Т клетки (Th1, Th2, Th17 и регулаторни Т клетки), които са основните играчи в адаптивния имунитет [60]. От друга страна, анормалното възпалително активиране е отговорно за развитието на CAPS, както и за други често срещани заболявания като метаболитни нарушения, свързани с кристали заболявания и автоимунни заболявания. Възпалението също е от решаващо значение при много бъбречни заболявания, включително остро бъбречно увреждане (ОПН) и хронично бъбречно заболяване (ХБН). Въпреки че вродената имунна система винаги е включена, при тези условия адаптивният имунитет играе основна роля.

Що се отнася до автоимунните заболявания, те се характеризират със самореактивни клетки и свръхпроизводство на автоантитела, произведени поради липса на имунологична толерантност и анормални автореактивни имунни отговори. Патогенезата на автоимунните заболявания остава да бъде изяснена, но е доказано, че е включена аберация във вродения и адаптивен имунитет. Инфламазомата NLRP3 наскоро беше свързана с разпознаване на вроден имунен сигнал и индукция на автореактивни имунни отговори, вероятно като контролна точка във вродения имунитет, за да причини изкривен адаптивен имунитет [62,63]. Следователно, как може NLRP3 инфламазомната функция да повлияе на развитието на автоимунни заболявания? Цитокините, освободени от инфламазомата, особено IL-1, предизвикват възпалителен ефект, който насърчава развитието на повечето автоимунни заболявания, включително RA и възпалително заболяване на червата. Освен това, инфламазомата NLRP3 също е отговорна за автоимунни заболявания, дължащи се на адаптивна имунна дисфункция. IL-1 медиира Т клетъчната пролиферация, като по този начин може да насърчи автореактивните Т клетки да причинят смърт на В-клетките [63,66]. Инфламазомата NLRP3 насърчава Th1 диференциация при RA, индуцирана от IL-1 по каспаза-1-зависим начин и може също така да индуцира диференциация и поляризация на Th2, Th17 и дендритни клетки при други автоимунни заболявания [63, 67]. Th17 клетките могат да произвеждат провъзпалителни цитокини, а именно IL-17A, IL-17F, IL-21 и IL-22, докато Th1 клетките секретират IFN-, индуциран от IL{{ 26}} и всички тези фактори допринасят за развитието на автоимунитет. Освен това, автоимунните заболявания могат да бъдат насърчавани от пироптоза, което води до освобождаване на клетъчни остатъци и тяхната реакция с имунните клетки, предизвиквайки възпаление.

Наистина, множество полиморфизми в инфламазомните гени са свързани с податливостта и развитието на автоимунни заболявания. Например, редки варианти на усилване на функцията могат да бъдат замесени в наследствени възпалителни заболявания, характеризиращи се с неконтролирано производство на IL-1 и/или IL-18, наречени инфламазомопатии. Мутациите в NLRP3 са прототип на инфламазомопатия, но те също са описани като автовъзпалителни заболявания, свързани с мутации, които активират NLRP1, NLRC4 и пирин инфламазомите [69,70]. Освен това, единичните нуклеотидни полиморфизми (SNPs) играят решаваща роля в автоимунните заболявания и могат да повлияят на инициирането на инфламазомите, някои от техните компоненти или крайни продукти (IL-1, IL-18).