Sci Adv丨镜头下的NLRP3炎症小体：光电联合原位解析从相分离走向细胞焦亡

NLRP3 炎症小体是先天免疫系统中重要的多蛋白复合体，也是炎症小体家族中研究最为广泛的一类。它相当于细胞的 “ 传感器 ” ，能够感知外界传来的刺激（如病毒感染或细胞损伤信号等），被激活后集合 ASC 以及 Caspase-1 等蛋白，组装成为大型复合物，引导白介素 -1β (interleukin-1β) 和白介素 -18 的成熟与释放，从而起到调节免疫系统的作用。尽管 NLRP3 炎症小体的失调与多种人类疾病密切相关，但其在细胞中的真实结构仍知之甚少。

近日， Science Advances 发表了来自 Brigham Young 大学Grant Jensen，哈佛医学院吴皓和 SLAC 加速器 Dahlberg 的联合研究： Human NLRP3 inflammasome activation leads to formation of condensate at the microtubule organizing center 。 在本研究中，研究组首次利用高精度荧光引导的冷冻聚焦离子束（ cryo-FIB ）切片结合电子冷冻断层成像（ cryo-ET ），在不同激活阶段的人类巨噬细胞中原位可视化了NLRP3炎性小体。通过三维立体重构，研究组观察到高尔基体扁囊的膨大与解体，并伴随着约 50nm 的 NLRP3 囊泡。这些囊泡可能将 NLRP3 运输至微管组织中心（即中心体），并进一步在中心体内及其周围形成 包含 NLRP3 的质密的 凝聚体。在后期阶段，这些凝聚体发生固化，并伴随着广泛的线粒体损伤，细胞自噬以及细胞焦亡。

镜中的世界 —— 细胞内部的 微观电影

维克多 · 雨果曾在《悲惨世界》中写道：望远镜的尽头，就是显微镜的起点。几个世纪前，安东尼 · 范 · 列文虎克为了检验纺织品质量，亲手打磨镜片，将人类的视野带入微观世界。时至今日，研究者借助不断进步的成像技术，不断拓展 “ 可见 ” 的边界， 甚至不再满足于 解析结构，更试图在原位捕捉细胞内部的动态过程。

随着冷冻电镜成像技术的高速发展，研究者已经能够解析出许多体外组装的 NLRP3 炎症小体相关蛋白的结构， 而 一个更加关键的问题随之浮现：NLRP3炎症小体在细胞中究竟以何种形式存在？要回答这一问题，则需要实现在原位观察 NLRP3 炎性小体的全貌，但这面临着一个无法回避的技术挑战：NLRP3炎症小体的体积微小，空间分布稀有，单个细胞中通常只有一个。即使 借助荧光显微镜能够大致定位，在三维空间中精准锁定这样一个微小目标，依然极具挑战。一旦定位出现偏差，目标结构就可能在切片过程中消失。这就像面前放着一个苹果和一把小刀，在一整颗苹果中 尝试 一次性准确切到那颗隐藏的果核。

那么，如何确保这 “ 关键一刀 ” 能够准确切中炎性小体？为了解决这个问题，研究团队通过和荷兰代尔夫特的 Delmic 公司合作，引入了一项关键的技术突破，即名为ENZEL的光电联合一体化平台。该平台实现了在冷冻状态下荧光成像和聚离子束切割的实时同步，利用 “ 三重共定位 ” （ tri-coincident) 的机制，使研究人员能够在切片过程中实时掌握荧光目标位置，实现真正意义上的 “ 边看边切 ” ，方便实时校正目标位置。相比传统光电联合技术中光学定位与聚离子束位置不匹配的问题，这一技术将目标命中率从约 5% 显著提升至 60% 以上，使得原本几乎 “ 不可捕获 ” 的炎性小体成为可重复观察的研究对象。

在获得了含有 NLRP3 炎症小体的冷冻切片后，研究人员进一步利用冷冻电子断层成像（ cryo-ET ）对样品进行三维重建，在纳米级的分辨率下，细胞器结构和蛋白复合物的空间分布得以清晰呈现。通过将荧光信号与电镜重构精确叠加，例如用 SiR -tubulin 标记中心体（ MTOC ），用 mScarlet 标记 NLRP3 ，研究人员实现了在复杂细胞环境中的分子级定位。这项技术令研究人员第一次在接近生理状态下对NLRP3炎性小体的形成过程的直接观测，就像在细胞内部拍摄了一部超高分辨率的纪录片。

无序中的秩序 ——NLRP3 炎症小体的 组装 与转变

这项研究最核心的发现，是第一次在人源细胞中还原了NLRP3炎性小体从激活，组装，再到最终引发细胞死亡的关键过程，展示了一场由多个细胞器协同完成的浩大且精密的“组装工程”。当细胞检测到细菌成分（如 LPS ）或损伤信号时，会进入所谓的 “ 预激活 ” 状态，此时 NLRP3 蛋白的表达迅速上升，同时高尔基体发生明显形态变化：原本扁平有序的膜结构开始膨胀，并逐渐产生大量直径约 50 纳米的小囊泡。荧光分析显示， mScarlet 信号强度与囊泡数量高度相关，提示这些囊泡富含 NLRP3 ，像一辆辆装载货物的 “ 运输车 ” ，准备将关键分子送往指定位置。

当细胞进一步受到刺激（如尼日利亚菌素（ nigericin ）导致的钾离子外流）之后，高尔基体发生解体，这些囊泡被释放，并在细胞内部进行数百纳米的短距离扩散，逐渐向中心体这一关键位置汇聚。值得注意的是，在该人类细胞模型中，这一过程似乎并不主要依赖经典的微管运输系统，而更接近一种局部扩散机制，类似于神经突触间囊泡在短距离范围内自发地完成位置转移的运动方式。

当这些囊泡抵达中心体后，其携带的 NLRP3 蛋白被释放，并与 ASC 和 caspase-1 等关键蛋白迅速组装，形成一个高密度的蛋白聚集区域。令人意外的是，研究组观察到NLRP3炎症小体并不像传统认知中规则排列的大型蛋白复合物，而更接近一种“生物凝聚体”的形态，能够排斥如核糖体等其他细胞组分。随着时间推移，这一凝聚体不断扩大，将原本紧密排列的中心粒 “ 挤开 ” ，使其间距从数百纳米扩大至接近 2 微米。这种空间重塑为 “ 炎症激活与细胞分裂互斥 ” 提供了大分子层面的直观解释：中心粒被限制在凝聚体中，与细胞周期相关因子空间隔离，从而难以参与正常的细胞周期调控，最终导致细胞分裂停滞。进一步的光漂白恢复（ FRAP ）实验也显示，该凝聚体会从最初具有一定分子交换能力的流动状态，逐步转变成一个几乎不再交换分子的 “ 固态结构 ” ，呈现出类似从液滴变成凝胶甚至固体转变的过程，并最终将细胞推向焦亡的结局。

与此同时，细胞内部开始出现一系列连锁反应：线粒体逐渐聚集到炎性小体周围，并表现出明显损伤特征，例如体积增大，以及内部嵴结构减少甚至消失，这些变化往往与活性氧（ ROS ）升高有关；另一方面，细胞的 “ 清理系统 ” 自噬机制也被激活，多层膜结构逐渐包裹 NLRP3 炎性小体，甚至可以观察到膜结构向凝聚体内部 “ 侵入 ” 的现象，试图清楚这一异常结构。最终，细胞进入不可逆的焦亡。此时，炎性小体已经完全固化，成为一个稳定而不可逆的结构，整个过程也随之走向终点。

结语

综上，从最初的蛋白表达，到囊泡运输、再到空间聚集、相变固化以及细胞器损伤和细胞死亡，这项研究借助前沿原位成像技术，在空间与时间维度上重构了NLRP3炎性小体的完整动态过程。它不仅揭示了炎症反应的结构基础，也呈现了在多细胞器协同作用下，细胞内部一场随空间和时间推移逐步展开，既剧烈却又高度精确的免疫激活现象。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aee2473

制版人： 十一

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