細胞焦亡發生機制及其與相關疾病的研究進展

黃茂凌綜述 陳始明審校

宿主通過程序性細胞死亡的方式來清除被感染的細胞以及抵抗外源性病原微生物的入侵。這種細胞死亡方式在動物以及人體研究中都得到了證實[1]。細胞凋亡以及壞死是較早發現的病原體誘導宿主細胞的程序性死亡方式。近年來，國內外相關研究發現細胞脹亡、自噬、鐵死亡、焦亡等新的細胞死亡方式[2]。其中，細胞焦亡被認為是一種新的促炎程序性細胞死亡方式，由炎性半胱天蛋白酶 (Caspase-1)介導，并伴有大量炎性因子及促炎因子的釋放，最終誘發級聯放大的炎性反應[3]。通過對細胞焦亡的形態特征、誘發機制及其與相關疾病的深入研究，將有助于為相關疾病的診療提供新的防治策略。本文就近年來細胞焦亡的發生機制及其與相關疾病的研究進展進行綜述。

1 細胞焦亡的概念

Chen等[4]第一次報道了在感染志賀菌的小鼠巨噬細胞中發現依賴Caspase-1介導的細胞死亡。Caspase-1特異性抑制劑和Caspase-1基因敲除的巨噬細胞可以預防和抵抗志賀菌誘導的巨噬細胞死亡；然而，Caspase-3或p53缺陷巨噬細胞不能抵抗這種細胞死亡。進一步深入研究發現，這種細胞死亡是一種新型的細胞程序性死亡，不依賴于凋亡相關蛋白Caspase-3的表達，而通過Caspase-1介導[5]。細胞焦亡除了依賴于Caspase-1外，其過程伴有明顯的炎性反應。Caspase-1 通過激活白細胞介素(interleukin， IL) 1β 和IL-18 前體表達，產生活性成熟IL-1β、IL-18，誘導其他炎性細胞因子的合成和釋放，從而放大局部和全身炎性反應[6]。誘發炎性反應是細胞焦亡不同于凋亡的一大特征，其形態學特征、分子機制等也不同于細胞凋亡等其他細胞死亡方式。2001年，Brennan 和Fink等首次使用希臘語pyroptosis 來描述這種獨特的程序性細胞死亡方式，pyro 是指促炎介質的釋放，ptosis 表示下降，pyroptosis 稱為細胞焦亡[7]。

2 細胞焦亡的形態學特征和分子機制

2.1 形態學特征 細胞焦亡最顯著的特征表現為細胞不斷腫脹直至胞膜破裂，這個過程可以用光學顯微鏡實時觀察并拍攝[8]。相比較于細胞質膜保持完整且形成凋亡小體的細胞凋亡，細胞焦亡時，細胞膜會破裂形成1～2 nm的小孔，繼而發生細胞滲透性腫脹，胞內各種物質(如乳酸脫氫酶、炎性因子等)滲出，此時用能夠穿透細胞膜的染料(溴化乙錠)可以進入焦亡細胞的細胞核，出現陽性染色[9]。

2.2 分子機制 細胞焦亡主要通過炎性小體介導包括Caspase-1在內的Caspase家族(主要有Caspase-1、4、5、11、12、13、14)的激活，進而造成包括消化道皮膚素D(gasdermin D，GSDMD)在內的多種gasdermin家族成員發生剪切和多聚化，造成細胞穿孔，進而引起細胞死亡[10]。其激活機制主要有依賴Caspase-1的經典途徑和非經典途徑。

2.2.1 依賴Caspase-1的經典途徑:這一方面是科研人員研究比較集中的部分。在細菌、病毒等信號的刺激下，細胞內的模式識別受體(pattern recognition receptor, PRR)作為感受器，識別這些信號，通過接頭蛋白ASC與Caspase-1的前體結合，形成多蛋白復合物，活化Caspase-1蛋白。活化的Caspase-1一方面通過切割GSDMD，形成含有N端活性域的肽段，導致細胞膜穿孔，細胞通透性增加，釋放細胞內容物，引起炎性反應；另一方面，活化的Caspase-1對IL-1β和IL-18的前體進行切割，形成有活性的IL-1β和IL-18，并釋放到胞外，招募炎性細胞聚集，擴大炎性反應[11]。

2.2.2 依賴Caspase-4、5、11的非經典途徑: 研究者發現不依賴Caspase-1也能誘導細胞發生焦亡。在細菌等信號的刺激下，Caspase-4、5、11被活化。活化的Caspase-4、5、11可直接切割GSDMD，同樣形成含有N端活性域的肽段，引起細胞膜穿孔、細胞通透性增加、細胞內容物釋放，引起炎性反應。另一方面，同經典途徑相似，通過誘導Caspase-1的活化，對IL-1β和IL-18的前體進行切割，形成有活性的IL-1β和IL-18，并釋放到胞外，募集炎性細胞聚集，擴大炎性反應[12]。

3 細胞焦亡與相關疾病

3.1 細胞焦亡與免疫相關性疾病 細胞焦亡最早是在細菌感染的巨噬細胞中發現的促炎程序性細胞死亡方式，其與免疫相關性疾病的關系非常密切。多蛋白復合物炎性小體介導Caspase-1激活，通過IL-1β、IL-18 清除機體胞內病原微生物而介導保護宿主的作用[13]。Martins 等[14]通過對感染沙門菌豬的研究發現沙門菌在宿主豬的腸系膜淋巴結誘導細胞焦亡，通過介導IL-1β、IL-18 等炎性因子釋放而激活宿主免疫機制，清除體內感染的細胞并阻止病原體擴散。Cai等[15]研究證實，在免疫缺陷病毒1(HIV-1)感染的患者中，表達Caspase-1和Caspase-3的CD4+T細胞比例是增加的，然而在CD8+T細胞中Caspase-3表達增加，Caspase-1沒有增加，表明CD4+T細胞有焦亡和凋亡兩種活動，并且通過抗逆轉錄病毒的治療后，CD4+T細胞中焦亡活動被抑制，存活細胞增多，出現治療作用。Wang等[11]研究進一步證實，Caspase-1介導的細胞焦亡在引起CD4+T細胞死亡中占主導地位，這個過程中的CD4+T細胞能夠釋放炎性因子IL-1β去攻擊其他CD4+T細胞。因此，干預細胞焦亡活動可能成為免疫相關性疾病新的防治方法。

3.2 細胞焦亡與代謝性疾病 由代謝障礙或代謝旺盛引起的疾病稱為代謝性疾病。常見病包括糖尿病、痛風和糖尿病心肌病。糖尿病心肌病是由心肌細胞死亡引起的。近年來研究表明[16]，高血糖可增加活性氧的產生，從而上調NLRP3、促進IL-1合成和IL-18前體的表達。Heo等[17]發現 TXNIP通過經典途徑激活Caspase-1進行一系列的級聯反應，從而激活細胞焦亡。痛風是由尿酸代謝紊亂引起的一種復雜的關節炎。有研究發現，NLRP3炎性小體的激活是痛風的發病機制[18]。所以，由炎性反應級聯放大激活細胞焦亡與代謝性疾病密切相關。

3.3 細胞焦亡與神經系統疾病 神經退行性疾病是大腦和脊髓的神經元發生死亡而導致的一類疾病，主要影響患者的記憶或運動功能。研究發現[19]，阿爾茨海默病、帕金森病及亨廷頓舞蹈病等神經退行性疾病的發生發展過程依賴于Caspase-1介導的細胞焦亡，Caspase-1阻斷劑能明顯抑制阿爾茨海默病的進程。Caspase-1 依賴性的細胞焦亡是神經系統疾病發生、發展的重要因素，進一步對細胞焦亡的深入研究將有助于該類疾病的認識和防治。

3.4 細胞焦亡與腫瘤 腫瘤的發生發展與炎性反應和細胞焦亡密切相關。Wang等[20]發現，對比于正常組織，Caspase-1、IL-1β和IL-18在非小細胞肺癌組織中低表達，同時也證實辛伐他汀通過激活NLRP3- Caspase-1通路誘導細胞焦亡來抑制腫瘤的增殖與侵襲。近年來，研究發現腫瘤中細胞焦亡的發生與Caspase-3依賴的凋亡轉化為焦亡密切相關。Wang等[21]發現在宮頸癌中GSDME能將Caspase-3依賴的凋亡轉化為焦亡從而加速細胞死亡。另一研究在胃癌中也發現了同樣的現象[22]。隨著研究的展開和深入，Zhou等和Zhu等分別在肺癌和黑色素瘤中發現通過激活ROS信號通路能夠促進細胞焦亡[8,23]。在腫瘤放療方面，Liu等[24]發現在骨髓來源的巨噬細胞中，NLRP3炎性小體能夠介導放射誘導的焦亡。隨后Wu等[25]進一步發現鞭毛素A能夠逆轉腸黏膜細胞放射誘導出現的NLRP3依賴的細胞焦亡。

3.5 細胞焦亡與心血管疾病 NLRP3炎性小體能夠介導Caspase-1依賴的經典途徑[26]。近年來發現NLRP3在心肌細胞和成纖維細胞中表達，其所介導的細胞焦亡可能成為心肌病和房顫的發病機制[27]。一方面，成熟的Caspase-1通過切割IL-1β和IL-18的前體，從而形成成熟的IL-1β和IL-18，進而放大局部炎性反應，促進纖維化，這是心肌結構重塑的主要原因[28]。另一方面，成熟的Caspase-1切割GSDMD來促進炎性小體形成N端蛋白水解片段(GSDMDNt)，這個片段能夠促進細胞程序性死亡，也就是焦亡，從而進一步使心肌功能惡化[29]。GSDMDNt不僅是焦亡的執行者，而且它是IL-1β釋放的前提，這是因為GSDMD基因的缺失使細胞喪失了清除釋放IL-1β的能力[30]。

3.6 細胞焦亡與其他相關疾病 Caspase-1介導的細胞焦亡可引起細胞死亡和炎性反應[31]。目前有研究集中細胞焦亡與自身免疫性疾病關系的探索：如Caspase-1 基因敲除的類風濕關節炎小鼠，其關節的炎性反應及關節軟骨的退化明顯得以緩解。另外，抑制嘌呤受體P2X4的表達可顯著降低IL-1β的血清水平，進而抑制NLRP1炎性小體的激活，最終減弱了關節的炎性反應及損傷[32]。在泌尿系統疾病中，Sarhan等[33]發現各種腎病中的病理本質是腎細胞的死亡，而依賴Caspase-1的經典途徑激活的細胞焦亡是腎細胞程序性死亡的主要形式。

4 小結與展望

細胞焦亡參與了多種疾病的發生發展。在炎性小體和促炎因子的介導下，通過經典以及非經典激活途徑加速了疾病的發展。現階段雖然已證實細胞焦亡的發生與炎性小體和Caspase家族的激活密切相關，但是在此過程中仍有許多細胞因子及其作用尚不清楚。從細胞焦亡的角度進一步深入探索，有望闡明當前多種不同疾病的發病機制以及提供更加有效的防治措施。細胞焦亡作為一種炎性程序性細胞死亡，已經在不同疾病模型中開始受到關注。