Caspase-1介導的細胞焦亡

席興字 王紅亮

（新鄉(xiāng)學院 河南新鄉(xiāng) 453003）

細胞死亡是多細胞生物體在生命活動中的一種重要的生理或病理現(xiàn)象?！都毎飳W》教材中細胞死亡主要包括凋亡、壞死和自噬3種方式。近年來研究人員發(fā)現(xiàn)，一些免疫活性細胞如巨噬細胞、樹突狀細胞等在吞噬病原微生物后通過激活天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶-1（Caspase-1）誘導細胞自殺的現(xiàn)象［1-2］。這種新型細胞死亡方式具有凋亡和壞死的特征，是宿主細胞抵抗病原體感染的一種防御機制，目前稱為細胞焦亡（pyroptosis）。本文就細胞焦亡的概念、分子機制和病理生理作用進行簡要介紹。

1 細胞焦亡的概念

細胞凋亡（apoptosis）是目前研究最為廣泛的程序性細胞死亡方式，它以激活天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶-3（Caspase-3）為核心，導致細胞骨架及細胞內(nèi)一些關(guān)鍵蛋白降解、誘導DNA有規(guī)律性降解，最終導致細胞死亡的一個過程。細胞凋亡的顯著形態(tài)學特征是：細胞膜保持完整、染色質(zhì)沿核膜邊緣凝集成新月狀或帽狀突起、形成凋亡小體等。細胞壞死（necrosis）的特點是：細胞膜破裂、染色質(zhì)DNA隨機降解、細胞內(nèi)容物釋放引起周圍組織炎癥反應(yīng)。Cookson等［3］在研究宿主細胞抗微生物感染時發(fā)現(xiàn)一種新的程序性細胞死亡方式，它既不同于凋亡也不同于壞死，命名為焦亡。細胞焦亡以激活Caspase-1為核心，迅速引起細胞膜破裂、細胞內(nèi)容物釋放引起炎癥反應(yīng)。這與細胞凋亡過程中細胞內(nèi)容物被雙層膜包裹形成凋亡小體，凋亡小體被吞噬細胞吞噬而不引起炎癥反應(yīng)有顯著不同。沙門氏菌感染或使用細菌內(nèi)毒素處理能使宿主細胞膜上形成1.1～2.4 nm的小孔，小孔的形成使細胞內(nèi)離子平衡喪失、滲透壓增加、水分內(nèi)流、細胞腫脹而裂解、細胞內(nèi)炎癥介質(zhì)釋放出去。Caspase-1阻斷劑能夠抑制這種小孔的形成。染色質(zhì)DNA降解是凋亡性細胞死亡的關(guān)鍵事件，它是通過Caspase酶的活化導致DNA酶抑制因子降解，激活的DNA酶在2個核小體之間切割染色質(zhì)DNA，所以在DNA電泳圖譜上出現(xiàn)有規(guī)律的梯狀條帶。細胞焦亡也會出現(xiàn)DNA降解現(xiàn)象，但這是由Caspase-1激活的核酸酶導致的，DNA酶抑制因子并沒有降解，DNA切割也不在核小體之間進行，不產(chǎn)生凋亡樣的DNA降解片段。細胞焦亡過程中染色質(zhì)DNA切割和細胞解體都是Caspase-1依賴性的，但染色質(zhì)DNA降解并不是細胞解體的關(guān)鍵事件。細胞骨架蛋白的降解也在細胞焦亡過程中出現(xiàn)，但其降解機制和在細胞焦亡中的作用尚不清楚。細胞內(nèi)一些與代謝相關(guān)的酶也受Caspase-1依賴性降解或失活，因此，鑒定Caspase-1的底物有助于深入理解細胞焦亡的特征。

2 Caspase-1介導細胞焦亡的分子機制

Caspase-1，以前稱作白介素-1（IL-1β）轉(zhuǎn)化酶，是首個被鑒定的哺乳動物Caspases酶，但不參與凋亡性細胞死亡。像所有的Caspase酶一樣，Caspase-1在胞質(zhì)中以非活性前體分子存在。在炎癥小體中，Caspase-1前體分子被加工切割形成大小2個亞基，2個大亞基和2個小亞基組裝成四聚體才具有酶的活性。炎癥小體是由胞質(zhì)中的一些天然性免疫受體分子如NOD樣受體（Nod-like receptors，NLRs）等參與組裝的多蛋白復合體，它能夠識別細菌、病毒等危險信號分子，并通過接頭分子募集和激活Caspase-1，進而產(chǎn)生成熟的炎癥介質(zhì)如IL-1β和IL-18等。根據(jù)NLRs蛋白的不同，研究人員命名了4個炎癥小體，分別為Nalp-1、Nalp-3、Ipaf和AIM2。Nalp-1識別炭疽桿菌毒素、Ipaf識別細菌鞭毛、Nalp-3則識別多種危險信號分子。多數(shù)NLRs由3個不同的結(jié)構(gòu)域組成：N-端Caspase酶激活和募集結(jié)構(gòu)域（caspase activation and recruitment domain，CARD）或 PYD 效應(yīng)結(jié)構(gòu)域、中央核苷酸結(jié)合和寡聚化結(jié)構(gòu)域（NACHT）、C-端亮氨酸重復區(qū)（LRRs）。 此外，Nalp-1 的 C-端延長、接納CARD結(jié)構(gòu)域。受到刺激后，NLRs通過NACHT結(jié)構(gòu)域相互作用而寡聚化。隨后，NLRs通過N-端PYD結(jié)構(gòu)域結(jié)合凋亡相關(guān)微粒蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing CARD,ASC）。ASC是一個接頭分子，含有CARD結(jié)構(gòu)域，通過CARD-CARD結(jié)構(gòu)域相互作用募集Caspase-1，導致Caspase-1寡聚化并自我催化而活化。

AIM2炎癥小體近期已得到鑒定，通過HIN結(jié)構(gòu)域，AIM2能直接結(jié)合雙鏈DNA，導致Caspase-1激活和IL-1β前體成熟。雙鏈DNA依賴性細胞死亡依賴 AIM2、ASC和 Caspase-1等組成的復合體，表現(xiàn)出細胞焦亡特征。

激活Caspase-1是焦亡性細胞死亡的核心執(zhí)行者，主要作用在質(zhì)膜上誘導形成離子穿孔，結(jié)果是：細胞內(nèi)滲透壓失衡、水分流入、細胞膨脹、最終細胞解體。Caspase-1如何引起細胞焦亡一直沒有明確的答案。最近，研究人員發(fā)現(xiàn)膜蛋白Gasdermin D（GSDMD）是 Caspase-1的底物分子，被Caspase-1切割后，Gasdermin D產(chǎn)生一個有活性的N-端片段，該片段能與細胞膜緊密結(jié)合導致細胞膜形成穿孔［4］。雖然此項研究填補了這個空白，但Caspase-1介導的細胞焦亡不可能僅依賴Gasdermin D，Gasdermin蛋白家族的其他分子是否協(xié)同參與細胞死亡效應(yīng)尚待深入研究。

3 細胞焦亡相關(guān)的病理生理作用

作為一種細胞自殺過程，細胞焦亡也是宿主細胞抵抗病原細菌感染的一種防御機制。宿主細胞的死亡破壞了細菌生存的微環(huán)境、限制了細菌的繁殖、將病原體暴露給更多的免疫細胞［5］。此外，焦亡細胞釋放炎癥因子IL-1β和IL-18，促進炎癥反應(yīng)。Mao等用實驗證明巨噬細胞吞噬沙門氏菌后誘發(fā)的焦亡將細菌暴露出來，吸引更多的中性粒細胞到炎癥部位，從而將細菌殺死［6］。因此，細胞焦亡可看作是宿主細胞天然性免疫系統(tǒng)的重要組成部分。細胞焦亡依賴Caspase-1的活化，而Caspase-1的活化與胞內(nèi)微生物感染控制關(guān)系密切。研究發(fā)現(xiàn)軍團桿菌感染巨噬細胞后激活Caspase-1，導致軍團桿菌被包裹形成自噬溶酶體，細菌在溶酶體中被殺死。相反，抑制Caspase-1活性，軍團桿菌被包裹形成不成熟的自噬體，不能與溶酶體融合［7］。最新報道，抑制巨噬細胞的焦亡促進巴爾通體（一種致病菌）通過淋巴循環(huán)進入血流［8］?？梢?，細胞焦亡對抗微生物感染控制的重要性。

研究表明病毒感染削弱機體免疫系統(tǒng)與細胞焦亡有聯(lián)系。Eichholz等發(fā)現(xiàn)腺病毒通過誘導炎癥小體AIM2的形成介導樹突狀細胞焦亡［1］。艾滋病的顯著病理特征是，HIV感染導致CD4 T淋巴細胞的大量死亡，患者免疫功能喪失。以前認為CD4 T淋巴細胞的死亡屬于細胞凋亡，現(xiàn)在認為約95%T淋巴細胞的死亡屬于細胞焦亡［9］。T淋巴細胞的死亡及由此導致的慢性炎癥吸引更多的細胞死亡，這是HIV感染后導致的惡性循環(huán)。用藥物抑制Caspase-1活性能夠阻斷這種惡性循環(huán)，有可能開發(fā)出一種針對宿主細胞而不是病毒的新型艾滋病治療藥物［9］。

細胞焦亡過度與一些疾病的病理過程有關(guān)，例如心肌梗塞、腦缺血、神經(jīng)退行性疾病、腸炎、內(nèi)毒素性休克和骨髓異常增生綜合癥等［10-11］。這些疾病均具有炎癥反應(yīng)和細胞死亡的病理特征。Caspase-1缺陷或用藥物抑制其活性，能避免這些疾病相關(guān)的炎癥反應(yīng)和細胞死亡［12］。然而在前列腺癌、胃癌和肝癌中卻發(fā)現(xiàn)細胞焦亡受到抑制，Caspase-1表達喪失現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)抗癌藥物黃連素具有重新激活Caspase-1表達、刺激癌細胞發(fā)生焦亡作用［13］?？梢?，Caspase-1介導的細胞焦亡與上述疾病的病理機理之間的聯(lián)系值得深入研究。

4 小結(jié)

細胞焦亡是宿主細胞以自殺的方式應(yīng)對病原微生物感染，它涉及Caspase-1的激活和炎癥因子 IL-1β和IL-18的成熟和釋放，是機體天然性免疫防御反應(yīng)的組成部分。近年發(fā)現(xiàn)，許多疾病進程與細胞焦亡有聯(lián)系。因此，深入研究細胞焦亡的分子機制、Caspase-1活性的控制與細胞焦亡之間的聯(lián)系不僅有重要的理論意義，還有可能通過調(diào)控細胞焦亡找到治療相關(guān)疾病的靶點。

主要參考文獻

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