尚畫雨， 沈文清， 馬穰桂， 夏 志

（1成都體育學院運動醫(yī)學與健康學院，四川成都610041；2華東師范大學體育與健康學院，上海200241；3井岡山大學體育學院，江西吉安343009）

衰老是在細胞、組織和器官水平上發(fā)生的生理性內穩(wěn)態(tài)的漸進性損害過程。就代謝角度而言，該過程主要表現(xiàn)為體成分、胰島素抵抗、自噬功能障礙、線粒體和炎癥反應的變化，其中涉及生長激素、胰島素/胰島素樣生長因子1及各種能量感應系統(tǒng)如AMP活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）、沉默信息調節(jié)因子（silent information regulators，SIRTs）等多條信號通路的變化［1］。而從臨床角度來看，諸如代謝紊亂、心血管疾病和神經(jīng)退行性疾病等眾多疾病的發(fā)生發(fā)展亦與衰老密切相關。目前，學界普遍認為呈時間依賴性的細胞損傷是機體衰老的主要原因。但近期研究表明，采取改變能量感應系統(tǒng)和炎癥水平的策略可促進長壽和延長健康壽命，提示通過調控機體能量感應與炎癥水平可能具有延緩機體衰老的重要潛力［1］。本文擬就近年來能量開關AMPK與核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白 3（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3）炎癥小體的相關進展進行梳理，探析其在衰老進程中的調控作用，并歸納其與線粒體、內質網(wǎng)應激（endoplasmic reticulum stress，ERS）、自噬和SIRT1等常見代謝途徑的互作關系，為從能量感應和炎癥水平調控角度探尋延緩衰老和防治衰老相關疾病的臨床干預手段提供有益參考。

1 AMPK在衰老過程中的作用

大量研究結果表明，信號分子AMPK的活化與衰老過程中對代謝變化的反應能力下降有關［1］，其直接參與多種衰老相關疾病的發(fā)生發(fā)展，如心肌缺血、心肌肥大和心力衰竭等心臟疾?。?］，以及阿爾茨海默病（Alzheimer disease，AD）、帕金森?。≒arkinson disease，PD）和肌萎縮側索硬化癥等神經(jīng)退行性疾?。?］。此外，亦與代謝綜合征和糖尿?。╠iabetes mellitue，DM）等一系列增齡性代謝紊亂疾病有關［4］。

近期研究發(fā)現(xiàn)，AMPK可抑制核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）途徑的激活，由于NF-κB作為先天免疫和炎癥反應的關鍵調節(jié)因子可協(xié)同其下游NLRP3炎癥小體參與AD進程［5］，從而提示AMPK還參與了炎癥反應的調控。Zhou等［6］研究證實，軟骨細胞特異性AMPKα1或AMPKα2敲除小鼠和AMPKα1/α2雙敲除小鼠均呈現(xiàn)出更為嚴重的與自發(fā)增齡性/手術誘導近似的骨關節(jié)炎，同時其白細胞介素1β（interleukin-1β，IL-1β）水平顯著升高，提示了AMPK在增齡性骨關節(jié)炎中的重要作用。此外，小鼠骨骼肌特異性AMPK敲除亦被證實可誘發(fā)肌肉功能減退的肌?。?］，且AMPKα2敲除小鼠可呈現(xiàn)出皮膚［8］及細胞［9］的老化加速，同時增齡性的心功能不全癥狀更為顯著［10］。以上研究結果表明，AMPK在骨和骨骼肌的增齡性變化以及心臟和皮膚增齡性損傷中均發(fā)揮了重要作用。然而，其具體作用機制仍不明確。最近Jiang等［11］報道指出，青蒿素可能通過誘導AMPK/NF-κB/NLRP3途徑明顯抑制巨噬細胞內炎癥反應，從而有效改善主動脈粥樣硬化。需要指出的是，由于炎癥反應在上述所有病理過程中均發(fā)揮關鍵作用，因此深入研究AMPK在炎癥中的調控機制對于延緩衰老進程、防治衰老相關疾病可能具有重要意義。

2 NLRP3炎癥小體在衰老過程中的作用

NLRP3炎癥小體包含一個富含亮氨酸重復序列（leucine-rich repeat，LRR）結構域、一個中心核苷酸結合寡聚化結構域（nucleotide-binding oligomerization domain，NOD）和一個氨基末端熱蛋白結構域（pyrin domain，PYD），主要與含有胱天蛋白酶募集域（caspase recruitment domain，CARD）的凋亡相關斑點樣蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC）相互作用［12］。作為一類多蛋白復合物，在暴露于致病微生物和宿主危險信號后，胞質內一些模式識別受體（pattern recognition receptors，PRRs）充當病原體相關分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）和損傷相關分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMPs）的傳感器，可通過激活胱天蛋白酶1（caspase-1）導致IL-1β和IL-18的成熟和釋放，進而形成炎癥小體［12］。其中，PAMPs和DAMPs可通過降低細胞內K+濃度、介導線粒體損傷促使活性氧（reactive oxygen species，ROS）生成或溶酶體組織蛋白酶B（cathepsin B）的胞漿釋放，最終誘導NLRP3炎癥復合物激活［12］，見圖1。研究表明，上述刺激條件可隨衰老而明顯升高并激活NLRP3炎癥小體，進而參與衰老性疾病的炎癥進程［13］，因此被認為是該進程中介導無菌性炎癥的關鍵驅動因素［14］。

最近，人們開始關注NLRP3炎癥小體在衰老過程中的作用。Stout-Delgado等［15］研究發(fā)現(xiàn)，野生型老年小鼠呈現(xiàn)NLRP3高表達的肺纖維化，而NLRP3敲除使其更能抵抗由肺泡巨噬細胞介導的實驗性和自然增齡性纖維化。McBride等［16］指出，NLRP3缺失小鼠的健康壽命得以延長，多種增齡性退行性改變被弱化，不僅呈現(xiàn)出相對肌肉力量和耐力增加，其肌病纖維數(shù)量的增齡性上調現(xiàn)象亦得到抑制。此外，增齡性游離膽固醇（free cholesterol，F(xiàn)C）和神經(jīng)酰胺水平的升高已被證明會導致小鼠胸腺內免疫監(jiān)控下降而激活NLRP3炎癥復合物，而將NLRP3和ASC基因敲除后，其增齡性的胸腺萎縮癥狀明顯減輕，同時皮質胸腺上皮細胞和T細胞祖細胞的數(shù)量均有所增加［17］。另有報道指出，老齡小鼠體內腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）水平明顯升高可進一步誘發(fā)NLRP3炎癥小體活化［18］。雖然NLRP3炎癥小體在 AD［19］、動脈粥樣硬化［11］和 DM［20］等多種衰老相關疾病中均見表達上調，但目前尚不清楚衰老過程中NLRP3炎癥小體的激活究竟是增齡性疾病的誘因還是繼發(fā)性應答，尚有待后續(xù)研究予以闡明。此外，衰老過程中調控NLRP3炎癥復合物的分子機制仍不明確，厘清其調控因素可能為控制炎癥提供有益靶標，并有助于進一步延長健康壽命。目前，關于NLRP3炎癥小體依賴性過程（如線粒體、ERS、自噬和SIRT1）的各種功能研究均認為，AMPK是NLRP3炎癥復合物的重要調控因子。

Figure 1.Composition and activation of NLRP3 inflammasome［12］.圖1 NLRP3炎癥小體的組成和激活［12］

3 AMPK對NLRP3炎癥小體的調節(jié)作用

3.1 線粒體 作為調節(jié)線粒體內穩(wěn)態(tài)、生物合成和降解的主要步驟，當線粒體出現(xiàn)功能障礙時，AMPK途徑活化以避免能量感應不足［21］，介導下游過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptorγ coactivator-1α，PGC-1α）和 核 呼 吸 因 子 1（nuclear respiratory factor-1，NRF1）表達，觸發(fā)線粒體生物合成。線粒體是多條途徑激活NLRP3炎癥小體的共同介質，其中ROS作為氧化型線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）的近端信號而激活NLRP3炎癥復合物［22］。Garrido-Maraver等［23］研究發(fā)現(xiàn)，AMPK可通過上調錳超氧化物岐化酶和過氧化氫酶的表達，參與細胞防御以對抗線粒體ROS介導的氧化應激。抗氧化劑γ-生育酚亦被證實可在AMPK活化的條件下抑制NLRP3炎性小體激活從而延緩DM進程［24］。

此外，氧化應激和線粒體功能受損伴低度炎癥狀態(tài)對衰老的影響亦已得到研究證實［1］，因此由衰老誘發(fā)的線粒體功能障礙與NLRP3炎癥小體之間可能存在關聯(lián)。Wu等［25］指出，線粒體靶點抗氧化肽SS-31可有效改善衰老小鼠體內NLRP3炎癥小體介導的認知缺陷。鑒于具有誘導AMPK活化潛能的抗氧化劑可抑制NLRP3復合物激活，受AMPK調節(jié)的內源性抗氧化生物合成可能是抑制增齡性線粒體ROS（mitochondrial ROS，mtROS）的保護性靶點。不少報道指出，內源性抗氧化劑褪黑素（melatonin，MT）能有效下調衰老小鼠體內的氧化應激和NLRP3炎癥小體表達，提示其可能通過抑炎效應而在促進健康方面發(fā)揮重要作用［26］，但MT抑制NLRP3炎癥復合物的具體分子機制尚不明確。Wang等［27］還發(fā)現(xiàn)，MT以保護性的方式誘導老年小鼠體內AMPK活化，同時抑制還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）氧化酶催化亞基gp91phox過表達，有效改善脂多糖誘導的血腦屏障功能障礙，其作用效果與二甲雙胍（metformin，Met）干預相同。雖然AMPK活化可通過上述多種機制抑制NLRP3炎癥小體活化，但MT抑制gp91可能與gp91參與衰老過程中NLRP3復合物激活有關，仍有待進一步研究驗證。

3.2 ERS ER作為蛋白質合成和折疊的主要場所，在多個分子伴侶、折疊酶和輔酶因子的活性作用下調節(jié)新蛋白質的折疊和降解，因而被視為是蛋白質動態(tài)網(wǎng)絡的一個關鍵組成部分［1］。在衰老過程中，隨著蛋白質動態(tài)網(wǎng)絡的緩沖能力下降，細胞內錯誤折疊的蛋白質組成聚集體逐漸積累，最終導致組織細胞功能下降并誘發(fā)細胞凋亡［28］。ERS反應也稱為未折疊蛋白反應（unfolded protein response，UPR），其作為一種協(xié)調適應性反應，限制ER內未折疊蛋白質的積累，并通過調節(jié)不同UPR靶基因以抵御體內多種增齡性改變［28］。

研究表明，ERS能激活NLRP3炎癥小體，但AMPK活化會通過抑制蛋白質的翻譯而減弱ERS［28］。因此，白藜蘆醇（resveratrol，Res）、Met、AICAR和水楊酸鹽等AMPK激活劑可通過抑制ERS而阻止NLRP3 炎癥小體激活［29-30］。近期研究在 DM［29］和內皮功能障礙［30］兩個增齡性病理過程以及自然衰老大鼠［28］中進一步發(fā)現(xiàn)，使用AMPK激活劑能明顯削弱ERS，從而有效抑制NLRP3炎癥復合物活化，且施加AMPK抑制劑可誘發(fā)相反的表型變化［31］。以上研究結果提示，通過AMPK活化抑制ERS，進而負性調節(jié)NLRP3炎癥小體，對于延緩衰老以及防治衰老相關疾病可能具有重要意義。

3.3 自噬 自噬作為一種溶酶體降解途徑，可將功能失調的胞質原件清除并再循環(huán)，從而維持細胞能量和氨基酸穩(wěn)態(tài)［32］。在衰老過程中，自噬水平明顯下調，受損蛋白質和細胞器（如線粒體）的累積可導致諸多生理過程發(fā)生增齡性改變。研究表明，自噬相關基因 5（autophagy-related gene 5，ATG5）過表達小鼠與正常小鼠相比，其壽命增加約17%，且呈現(xiàn)胰島素敏感性、肌力和氧化還原穩(wěn)態(tài)有效改善［33］。此外，誘導自噬激活亦為衰老過程中維持心臟功能和活力的關鍵因素［10］，而自噬缺失則會進一步加重絕經(jīng)性骨質疏松癥［34］，提示上調機體自噬水平可在一定程度上延長壽命和延緩衰老。此外，自噬在調節(jié)炎癥細胞活化、清除炎癥細胞激活的內源性信號、隔離和降解炎癥細胞組分等方面也發(fā)揮著重要作用。Liu等［35］報道指出，通過激活AMPK/Unc-51樣激酶1（Unc-51-like kinase 1，ULK1）/p62信號通路誘導線粒體自噬，能有效阻止線粒體膜電位丟失以抑制NLRP3炎癥小體活化，見圖2。反之，自噬流量標志物p62特異性敲除將導致受損線粒體積聚和IL-1β介導的炎癥反應過度發(fā)生，而p62的延時復表達則可引發(fā)NF-κB抗炎效應，誘導NLRP3炎癥小體失活［36］。亦有學者證實，自噬流量的阻斷會誘導NLRP3炎癥復合物激活［37］。由此可見，自噬誘導機制在負性調節(jié)NLRP3炎癥小體方面可能具有重要潛力。

Figure 2.Activation of AMPK/ULK1/p62 signaling pathway and inhibition of NLRP3 inflammasome activation by activating autophagy-induced decreased mtROSand mtDNA release to cytoplasm［35］.圖2 AMPK/ULK 1/p62自噬通路激活下調mtROS、mtDNA釋放入胞質而抑制NLRP3炎癥小體的活化［35］

近期報道指出，富含刺激醛的特級初榨橄欖油可通過激活AMPK/ULK1途徑誘導自噬以抑制NLRP3炎癥小體激活，有效改善AD小鼠血腦屏障功能，并減輕AD相關的病理損傷［38］。Ko等［39］施加雷帕霉素（rapamycin，RAPA）誘導自噬水平升高，進而清除mtROS，從而抑制IL-1β、IL-18釋放和caspase-1激活，且Res、京尼平和抗抑郁藥物等化合物亦可通過誘導自噬對NLRP3炎癥小體發(fā)揮負性調節(jié)作用［40-42］。有趣的是，上述自噬誘導化合物均被證實能夠誘導AMPK磷酸化并參與衰老進程。例如，RAPA可通過誘導自噬和抑制哺乳動物RAPA靶蛋白（mammalian target of RAPA，mTOR）表達以延緩衰老和延長壽命［43］。據(jù)此推測，RAPA對NLRP3炎癥小體的抑制作用可能與該藥物明顯改善機體代謝能力有關。此外，Res與長壽和健康壽命亦有關聯(lián)［44］。Wu等［45］近期發(fā)現(xiàn)，Res通過上調AMPK誘導線粒體自噬發(fā)生，有效減輕腹膜間皮細胞內ROS-NLRP3介導的炎性損傷。然而，其抗衰老作用是否與NLRP3復合物抑制有關則有待后續(xù)研究進一步探明。

3.4 SIRT1 SIRTs是一組（SIRT1至SIRT7）高度保守的脫乙酰酶，其活性依賴煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）。其中，核蛋白SIRT1構象與原核生物體內長壽基因Sir2的表達產物最為相似，且與AMPK具有許多相似的作用，包括二者對應激和營養(yǎng)狀態(tài)的響應、誘導線粒體生物合成、調節(jié)糖穩(wěn)態(tài)以及控制重要轉錄調控因子（如PGC-1α、FOXOs和乙?；D移酶p300等）活性的能力［21］。此外，Res和熱量限制對促進健康的積極作用也被認為與激活 SIRT1和AMPK有關［21，46］。研究發(fā)現(xiàn)，AMPK依賴細胞內NAD+水平升高而激活SIRT1，反之SIRT1則介導AMPK激酶人類肝激酶1（liver kinase B1，LKB1）去乙?；?，促使AMPK的磷酸化激活［46］，以上結果提示二者存在互作關系。進一步針對AMPK激活劑Res的研究結果表明，其增強線粒體功能的機理在于SIRT1與AMPK之間具有一個正反饋回路，從而可將這兩個低能量狀態(tài)傳感器連接而產生統(tǒng)一響應［46］。

此外，敗血癥小鼠在施加SIRT1高選擇性抑制劑 EX527［47］或SIRT1基因敲除［48］后，其體內活化的IL-1β水平明顯升高。在內皮細胞中，SIRT1敲除可誘導NLRP3炎癥小體激活，SIRT1復表達則抑制后者活性［49］。以上研究結果表明，SIRT1對NLRP3炎癥復合物具有負性調節(jié)作用，但其分子機制目前仍不明確，且在衰老及其相關疾病中的炎性效應尚未見文獻報道。Li等［50］最近的研究指出，CD40可能在內皮細胞內參與了SIRT1對NLRP3炎癥小體的負性調節(jié)過程。鑒于SIRT1在衰老中的角色以及對NLRP3炎癥復合物的負性調節(jié)作用，研究SIRT1特異性激活劑（SRT1720或SRT2104）或抑制劑（EX527）對衰老過程中NLRP3炎癥小體的影響可能將頗具意義。綜上所述，我們將衰老過程中AMPK對NLRP3炎癥小體的調節(jié)作用歸納于圖3。

Figure 3.The regulatory effect of AMPK on NLRP3 inflammasome during aging.圖3 衰老過程中AMPK對NLRP3炎癥小體的調節(jié)作用

4 小結與展望

AMPK可通過線粒體內穩(wěn)態(tài)、ERS、自噬和SIRT1激活等多條途徑調控NLRP3炎癥復合物，在延緩衰老方面可能具有重要潛力。衰老進程中的常見分子事件如線粒體功能障礙和ROS生成或mtDNA氧化、自噬缺陷、溶酶體通透性改變和各種代謝產物（如FC、葡萄糖）的累積等均可激活或抑制NLRP3炎癥小體，而后者與DM、動脈粥樣硬化、心血管和神經(jīng)退行性疾病等衰老性疾病密切相關。因此，抑制NLRP3炎癥小體的特定化合物可作為新的抗衰老藥物繼續(xù)深入研究。在未來的相關研究中，還應考慮在體內或體外不同應激狀態(tài)下，或在NLRP3突變模型中，深入研究NLRP3與其它炎癥復合物以及調節(jié)因子的相互作用，以期探明NLRP3炎癥小體在各種抗衰老策略改善AMPK/SIRT1和自噬流量、減少應激和抑制炎癥等過程中的不同作用究竟如何整合至協(xié)調反應之中。此外，其它炎癥復合物是否參與衰老進程？AMPK能否調節(jié)這些復合物？均亟待明確。盡管上述分子機制尚有待未來研究進一步闡明，但NLRP3炎癥小體這一特殊的炎癥復合物很可能成為藥物和/或運動干預衰老以及衰老相關疾病進程的共同靶點。