細胞焦亡： 細胞程序性死亡的一種特殊模式

邵碧瑩 黃 浩

(福建師范大學生命科學學院/福建師范大學國家級生物學實驗教學示范中心 福州 350117)

1 細胞死亡、細胞凋亡和細胞焦亡

細胞的種類繁多，其生命過程豐富多彩、長短不一。所有細胞的生命周期都包括兩個重要環節： 一個是細胞分裂，延續生命活動；另一個則是細胞死亡，生命活動消失。對于包括人類在內的多細胞生物來說，細胞死亡并不意味著生命的終結，其重要性與細胞分裂與增殖等同，都為個體的正常生長發育所必需。

根據死亡細胞的形態特征、死亡途徑和方式，以及是否可控等特點，可以將細胞死亡劃分為細胞自噬(autophagy)、細胞壞死(necrosis)和細胞凋亡(apoptosis)三種模式。細胞自噬為真核細胞所特有，是細胞內物質成分和細胞器利用溶酶體或液泡進行降解的一種代謝機制，在進化上高度保守；細胞壞死長期以來被認為是一種被動的死亡方式，是由極端物理、化學因素或嚴重的生物性因素誘發的細胞死亡，其特征是混亂無序、難以逆轉且不可控；細胞凋亡則被認為是一種由凋亡信號誘發的、主動有序的、可被調控的主動死亡方式[1]。

近年來，研究者發現了一種與炎癥反應相伴的特殊的細胞程序性死亡方式——細胞焦亡(pyroptosis)。細胞焦亡在形態學上同時具有壞死和凋亡的特征： 發生焦亡的細胞會出現細胞核皺縮、外吐小泡、染色質DNA斷裂、末端脫氧核苷酸轉移酶介導的dUTP缺口末端標記測定法(terminal dexynucleotidyl transferase-mediated dUTP nick end labeling, TUNEL)染色陽性及膜連蛋白V(annexin V)染色陽性等細胞凋亡的特征。像壞死細胞一樣，其細胞膜上會形成許多1～2 nm的小孔，使水得以進入細胞內部，導致細胞腫脹、細胞膜爆裂、內容物釋放，即誘發炎癥反應；釋放白細胞介素-1β(IL-1β)和白細胞介素-18(IL-18)，進而募集更多炎癥細胞，誘發級聯放大的炎性反應[2]。這說明細胞焦亡對機體有抵御感染的積極作用，也有誘發病理性炎癥的消極作用。近年，細胞焦亡相關研究逐漸成為細胞生物學領域的研究熱點。

2 細胞焦亡的信號途徑

研究發現，人和小鼠的細胞受到刺激時會通過不同的途徑啟動細胞焦亡程序。根據依賴的炎性含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteine aspartic acid specific protease, Caspase)的不同，細胞焦亡可分為經典和非經典途徑。

2.1 經典細胞焦亡途徑 在病原微生物刺激下，依賴Caspase-1的炎性小體將無活性的半胱氨酸蛋白酶-1前體裂解形成有活性的Caspase-1，進而誘導發生細胞膜穿孔、細胞溶解、死亡，胞內物質釋放等一系列炎癥反應現象；Caspase-1通過促進IL-1β和IL-18的成熟和分泌，募集更多炎癥細胞，擴大炎癥反應。這種依賴Caspase-1的細胞焦亡方式稱為經典細胞焦亡途徑[3]。炎性小體的形成是經典細胞焦亡途徑的重要特征之一。

2.2 非經典細胞焦亡途徑 研究表明，在受到脂多糖(LPS)刺激后，人的Caspase-4/5和小鼠的Caspase-11作為胞內受體與LPS直接結合而介導細胞焦亡進程，被稱為非經典細胞焦亡途徑[4]。需要指出的是，經典途徑中的炎性小體雖然也參與到依賴Caspase-11的細胞焦亡途徑中，但是Caspase-11的自身活化與細胞死亡并不依賴連接核苷酸寡聚化結構域樣受體家族3(nucleotide-binding domain leucine-rich-containing family pyrin domain containing 3, NLRP3)和凋亡相關斑點樣接頭蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a caspase activation and recruitment domain, ASC)，因此炎性小體不是介導非經典細胞焦亡的必需條件。

3 細胞焦亡通路中的主要相關蛋白

主要介紹3類相關蛋白：

3.1 炎性小體 炎性小體家族的主要成員包括： NOD樣受體(nodlike receptors, NLRs)、熱蛋白和造血干擾素誘導核蛋白結構域蛋白(pyrin and hematopoietic interferon-inducible nuclear proteins domaintein, PYRIN)和黑色素瘤缺失因子2(absent in melanoma 2, AIM2)。ASC含有半胱天冬氨酸蛋白水解酶激活與募集結構域(caspase activation and recruitment domain, CARD)和熱蛋白結構域(pyrin domain, PYD)，能夠作為雙重接頭蛋白分子將半胱天冬氨酸蛋白水解酶原1(pro-cysteine aspartic acid specific protease-1, pro-Caspase-1)與炎性小體以橋梁形式連接起來。炎性小體由尿酸單鈉和二氧化硅等內源性危險相關分子模式(danger-associated molecular patterns, DAMPs)和病毒病原體、細菌毒素及寄生蟲等病原相關分子模式(pathogen-associated molecular patterns, PAMPs)所觸發。

炎性小體在細胞焦亡途徑中起著重要的橋梁作用，即通過NLR蛋白響應上游信號分子，通過活化的Caspase-1將細胞焦亡信號傳導到下游焦亡執行蛋白，最終出現細胞焦亡。

3.2 Caspase蛋白酶Caspase-1和Caspase-4/5/11 Caspase家族在細胞程序性死亡過程中發揮著重要作用，它是一組同源性很強、結構相似的蛋白酶，主要以酶原的形式廣泛存在于細胞中。目前，在哺乳動物細胞中已發現的caspase蛋白酶家族成員有16種，其中Caspase-1與經典細胞焦亡途徑相關，Caspase-4/5/11則與非經典細胞焦亡途徑相關。

Caspase-1即IL-1轉化酶(IL-1converting enzyme, ICE)是單核細胞合成的一種蛋白酶。它共有6種亞型(α、 β、 γ、 δ、 ε和ζ型)，均能介導炎性反應，并能在細胞死亡中發揮各自的作用。Caspase-1以無活性的酶原形式(pro-Caspase-1)存在于細胞質中。當細胞受到各種胞外病原體或胞內危險信號刺激時,細胞內會裝配形成炎性小體,招募pro-Caspase-1,通過酶原自體水解生成兩個亞基，并形成異二聚體，接著異二聚體又進一步組成四聚體,最終成為具有活性的Caspase-1[5]。

Caspase-4和Caspase-5是Caspase家族中同源性最高的兩種蛋白酶，與Caspase-1的同源性也都高達50%，這三者都能剪切人白介素-1β前體(Pro-Interleukin-1β, pro-IL-1β)，Caspase-1特異切割效率最高，Caspase-4相對較弱，而Caspase-5識別剪切位點能力最差。Caspase-1在人體內可與Caspase-4、 Caspase-5在其他蛋白的參與下形成炎性小體；而在小鼠中與Caspase-1結合的則是Caspase-11。鼠源Caspase-11與人源Caspase-5兩者氨基酸序列同源性高達54%，可能是相對應的同源物。

3.3 消皮素D 消皮素D(gasdermin D, GSDMD)是所有炎性 Caspase的共同底物，是細胞焦亡的直接執行者[6]。GSDMD被活化的炎性Caspase切割成具有N端(GSDMD-N)和C端(GSDMD-C)的結構域。GSDMD-N能特異性與細胞膜結合導致細胞膜穿孔，誘導細胞焦亡；而GSDMD-C則會與GSDMD-N產生結構自抑制，從而抑制細胞焦亡。

Shi等[7]采用CRISPR/Cas9基因編輯技術進行的研究發現，GSDMD的切割對于炎性Caspase的激活并引發細胞焦亡具有重要作用，證明了Gasdermin蛋白家族普遍具有誘導細胞焦亡的功能，并重新定義了細胞焦亡的概念。He等[8]證實，GSDMD是經典及非經典炎性反應中發生細胞焦亡及IL-1β分泌的必要條件，并且在GSDMD被消耗的情況下細胞焦亡被抑制，轉而發生細胞凋亡。

4 細胞焦亡相關疾病

機體的免疫系統在正常情況下，能識別“自己”和“異己”，并在病原體侵入時能通過啟動免疫應答實現清除“異己”，保護“自己”。細胞焦亡就是宿主細胞以“自殺”的方式應對病原體的一種重要的天然免疫反應。然而它也是一柄“雙刃劍”，正常的免疫應答對機體是必要的，但是它也會對“自己”造成損傷，甚至可能因為“免疫過度”而引發相關疾病。

4.1 感染性疾病 細胞焦亡在病原體感染機體時可作為一種宿主的防御機制，這已經在許多由細菌、真菌及病毒引起的感染性疾病中得到證實。然而細胞焦亡的過度激活也會造成機體損傷。研究發現，CD4 T細胞感染人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus, HIV)后Caspase-1表達增加，IL-1β分泌增多引起細胞焦亡；而抑制Caspase-1能避免HIV感染更多健康的CD4 T細胞，這一發現為艾滋病的治療提供了新的思路。

4.2 神經系統疾病 研究表明，中樞神經系統退行性病變類疾病(如阿爾茨海默癥、帕金森綜合征、運動神經元病等)的發展都有細胞焦亡參與。最近有研究發現，細胞外神經炎性斑內β-淀粉樣蛋白(amyloid-β, Aβ)可以激活由NLRP1炎性小體介導的細胞焦亡引起神經元缺失及局部炎癥反應，參與阿爾茨海默癥的病程[9]；而通過抑制細胞焦亡可減少神經元缺失及認知障礙的加重。這些發現為阿爾茨海默癥的治療展現了新的策略。

4.3 動脈粥樣硬化 炎性小體能激活并介導Caspase-1的活化，而動脈粥樣硬化刺激物(如膽固醇晶體和高脂血等)都可激活巨噬細胞或內皮細胞中的Caspase-1。膽固醇晶體可激活人類巨噬細胞的NLRP3炎性小體，進而加快低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL)受體缺陷小鼠動脈粥樣硬化的產生。氧化低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein, x-LDL)通過促進巨噬細胞Caspase-1的活化，誘導細胞裂解、DNA斷裂及IL-1β和IL-18的生成。這些生成的促炎細胞因子和介質在動脈粥樣硬化病程發展中能導致細胞焦亡[10]。

4.4 其他疾病 細胞焦亡機制主要在于內源性或外源性刺激作用于炎性小體如NLRP3，進而激活Caspase-1，改變細胞結構并釋放炎性因子，最終導致伴有炎癥反應的細胞死亡。研究證實，沉默NLRP3基因可阻斷由Caspase-1介導的細胞焦亡，對糖尿病有較好的保護治療效果。Wree等[11]利用NLRP3敲除小鼠模型，證明NLRP3炎性小體介導的肝細胞焦亡是肝臟損傷的一種新機制。Jesus等[12]通過實驗表明，尿酸結晶可激活NLRP3炎性小體和觸發IL-1β釋放，且痛風患者滑膜尿酸水平與關節液中IL-1β和IL-18呈正相關。IL-1β阻斷劑對痛風有明顯療效。此外，細胞焦亡在缺血/再灌注損傷引起的腎損傷及心肌梗死、急性肺損傷、代謝紊亂以及其他慢性疾病發展中都有重要作用。

5 結語

細胞焦亡是新近發現的一種促炎性、程序性細胞死亡方式。經典細胞焦亡途徑依賴于Caspase-1的介導，非經典細胞焦亡途徑依賴于Caspase-4/5/11的介導；炎性小體的活化是細胞焦亡的關鍵因素，GSDMD蛋白是細胞焦亡過程中的關鍵蛋白。細胞焦亡是機體的一種重要的天然免疫防御反應，在清除外源病原體感染和內源危險信號中均發揮重要作用。細胞焦亡參與多種疾病的發展進程。因此，對細胞焦亡的發生、激活及調控機制等的深入研究，將為相關疾病的治療研究提供新的方向和有效靶點。