細(xì)胞焦亡與腫瘤的關(guān)系

陳琳 何迎春 呂炎 戴娜 胡梅 藺婷 江志超

細(xì)胞焦亡（pyroptosis）于2001年首次發(fā)現(xiàn)并命名［1］，是一種炎性死亡方式，并伴隨大量炎癥因子釋放［2-3］。大量研究發(fā)現(xiàn)炎癥環(huán)境可誘導(dǎo)正常細(xì)胞發(fā)生癌變，細(xì)胞焦亡形成的炎癥反應(yīng)環(huán)境為腫瘤的生長提供了適宜環(huán)境，但亦可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡［4-8］。細(xì)胞焦亡作為廣泛存在于腫瘤細(xì)胞中的死亡方式，在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用隨著研究的深入而日漸凸顯，本文就細(xì)胞焦亡的機(jī)制及其與腫瘤關(guān)系作一綜述。

1 細(xì)胞焦亡的機(jī)制

細(xì)胞焦亡表現(xiàn)為細(xì)胞不斷脹大至細(xì)胞膜出現(xiàn)1～2 nm的中空孔徑，使細(xì)胞內(nèi)容物外釋引起較強(qiáng)的炎癥反應(yīng)。在細(xì)胞凋亡中，DNA降解片段電泳圖呈梯帶狀，而細(xì)胞焦亡的DNA降解是由Caspase-1激活、核酸酶（PARP）介導(dǎo)，不產(chǎn)生凋亡樣的DNA降解片段，故無梯帶狀電泳圖，且伴細(xì)胞骨架蛋白發(fā)生降解但核酸酶不被降解［9］。

細(xì)胞焦亡的機(jī)制目前分為經(jīng)典途徑和非經(jīng)典途徑。細(xì)胞焦亡的經(jīng)典途徑是依賴于Caspase-1的焦亡途徑［9］。在細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境刺激下，前體Caspase-1通過接頭蛋白ASC與模式識(shí)別受體（pattern recognition receptor，PRR）連接形成炎癥小體：NLRP1、NLRP3、NLRC4、AIM2與Pyrin等［10］，其中NLRP1b和 NLRC4可不通過 ASC而直接與Caspase-1連接發(fā)揮作用［10-11］。炎癥小體激活其余無活性的前體Caspase-1，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞膜小孔形成和白介素-1β（IL-1β）、白介素-18（IL-18）前體成熟、活化及分泌。活化的IL-1β和IL-18在細(xì)胞外可募集更多的炎癥細(xì)胞，從而擴(kuò)大炎癥反應(yīng)［9］。同時(shí)，活化的Caspase-1可通過剪切暴露GasderminD（GSDMD）的N端結(jié)構(gòu)，而N端結(jié)構(gòu)域再與膜脂結(jié)合，進(jìn)一步促使IL-1β和IL-18釋放到細(xì)胞外，加快炎癥反應(yīng)發(fā)生［12-14］。

細(xì)胞焦亡的非經(jīng)典途徑是依賴于Caspase-4/5/11的焦亡途徑［9］。革蘭陰性菌感染機(jī)體后，細(xì)菌脂多糖（LPS）可激活Caspase-4/5/11并與之結(jié)合而誘發(fā)細(xì)胞焦亡［15］。一方面，活化的Caspase-4/5/11可通過暴露GSDMD蛋白的N端結(jié)構(gòu)域，激活NLRP3炎癥小體以活化Caspase-1，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡；另一方面，活化的Caspase-4/5/11可激活Pannexin-1通道，進(jìn)而開放嘌呤能P2X7通道，促使炎性介質(zhì)外釋［16-17］，也可使細(xì)胞內(nèi)的 K+外流，從而激活NLRP3炎癥小體，促進(jìn)IL-1β外釋［18-20］。LPS還可與Caspase-1的CARD結(jié)構(gòu)域結(jié)合，并激活NF-κB通路，從而進(jìn)一步調(diào)控 NLRP3的表達(dá)［21］和IL-1β分泌與活化［22］。

2 細(xì)胞焦亡與腫瘤的關(guān)系

腫瘤的發(fā)生與多種因素相關(guān)，包括原癌基因與抑癌基因的相對活性、免疫微環(huán)境、氧化應(yīng)激和慢性炎癥等，組織細(xì)胞長期暴露于炎癥環(huán)境會(huì)增加罹患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。炎癥小體是細(xì)胞焦亡過程的關(guān)鍵物質(zhì)，在病原體或脂多糖刺激下，可促進(jìn)IL-18前體、IL-1β前體成熟，并通過激活Caspase-1引發(fā)細(xì)胞焦亡過程。而目前在多種腫瘤細(xì)胞中均可發(fā)現(xiàn)炎癥小體，且炎癥小體相關(guān)蛋白在不同腫瘤細(xì)胞中表現(xiàn)出促進(jìn)和抑制腫瘤細(xì)胞生長的雙重作用，但炎癥小體的具體作用機(jī)制及其與腫瘤發(fā)生發(fā)展的關(guān)系值得進(jìn)一步研究［22-23］。

2.1 細(xì)胞焦亡與宮頸癌

研究表明，炎癥小體NLRP3參與宮頸癌的固有免疫反應(yīng)過程。NLRP3是廣泛存在于腫瘤細(xì)胞的炎癥小體，其表達(dá)受NF-κB通路調(diào)控［21］，還廣泛表達(dá)于各種炎細(xì)胞、皮膚角化細(xì)胞及上皮細(xì)胞，且可清除核酸病毒［24］。目前研究發(fā)現(xiàn)NLRP3炎癥小體的激活有半離子通道模型、溶酶體破裂模型和ROS模型，而在宮頸癌中主要通過ROS模型激活NLRP3炎癥小體而誘導(dǎo)宮頸癌細(xì)胞焦亡［24］。有研究報(bào)道宮頸癌細(xì)胞較正常宮頸上皮細(xì)胞釋放的 IL-18、IL-1β、IL-6和 IL-17多［25］。然而有研究發(fā)現(xiàn)去除細(xì)胞焦亡過程產(chǎn)生的促炎因子能抑制宮頸癌細(xì)胞生長，同時(shí)也可使機(jī)體對腫瘤細(xì)胞的免疫效應(yīng)減弱，加速腫瘤生長［26］。由此可見，細(xì)胞焦亡對宮頸癌表現(xiàn)出促進(jìn)和抑制雙重作用，但細(xì)胞焦亡過程產(chǎn)生的促炎因子對宮頸癌細(xì)胞的作用機(jī)制有待研究。

2.2 細(xì)胞焦亡與結(jié)直腸癌

在對348例結(jié)直腸癌患者和806名隨機(jī)選擇的健康人進(jìn)行NF-κB通路相關(guān)基因的7種多態(tài)性分析發(fā)現(xiàn)，NF-κB信號(hào)通路不依賴Caspase-1，而是依賴絲氨酸蛋白酶信號(hào)通路減少IL-1β分泌，且結(jié)直腸癌患者的短期生存率與雜合NLRP3的表達(dá)相關(guān)；同時(shí)抗炎基因TNFAIP3的缺失或表達(dá)下降，都會(huì)下調(diào)NF-κB通路活性［27］，通過干預(yù)IL-1β和NF-κB信號(hào)通路有望尋找結(jié)直腸癌的治療新靶點(diǎn)。還有研究表明炎癥小體在結(jié)直腸癌的病理過程中起促進(jìn)和抑制腫瘤生長雙重作用，推測其與IL-1β［28］有關(guān)。另有研究發(fā)現(xiàn)炎癥小體可調(diào)控IL-18/IFN-γ/STAT1信號(hào)通路，從而抑制結(jié)腸炎相關(guān)癌變的發(fā)生［29］。細(xì)胞焦亡在結(jié)直腸癌中亦表現(xiàn)出抑制增殖和誘導(dǎo)作用，而探究結(jié)腸癌細(xì)胞發(fā)生焦亡的上下游通路和影響通路的關(guān)鍵蛋白，有可能使細(xì)胞焦亡對結(jié)腸癌發(fā)揮更好的抑制作用。

2.3 細(xì)胞焦亡與皮膚癌

細(xì)胞焦亡對皮膚腫瘤的發(fā)生既有促進(jìn)作用，也有抑制作用。在研究炎癥與皮膚癌關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，炎癥小體轉(zhuǎn)接器ASC在調(diào)控上皮細(xì)胞的癌變中表現(xiàn)出組織特異性，ASC相對不足的小鼠和Caspase-1或IL-1受體缺陷型小鼠髓細(xì)胞腫瘤發(fā)生率降低；而在角質(zhì)形成細(xì)胞（KCs）中，ASC缺乏的小鼠腫瘤發(fā)生率比對照組多，表明ASC能促進(jìn)髓系細(xì)胞腫瘤發(fā)生，而抑制KCs腫瘤發(fā)生［30］。沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG）治療黑色素瘤時(shí)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞焦亡相關(guān)因子IL-1β、IL-18、NLRP1炎癥小體、NLRP3炎癥小體、ASC、Caspase-1和動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)參抗體β-Actin表達(dá)均下調(diào)，同時(shí)NF-κB信號(hào)通路的活化也被抑制［31］。推測EGCG抑制黑色素瘤細(xì)胞生長的機(jī)制是通過下調(diào)細(xì)胞焦亡相關(guān)因子的表達(dá)，使炎癥反應(yīng)和NF-κB信號(hào)通路活化減弱，進(jìn)而抑制腫瘤細(xì)胞增殖，認(rèn)為炎癥小體及IL-1β、IL-18可能成為治療黑色素瘤的潛在靶點(diǎn)。

2.4 細(xì)胞焦亡與肝癌

在晚期肝癌的研究中發(fā)現(xiàn)，AIM2在細(xì)胞中增多會(huì)誘導(dǎo)AIM2炎癥小體表達(dá)，并參與細(xì)胞周期調(diào)控［32］。AIM2是可抵御DNA病毒感染和防止細(xì)胞自身DNA異常進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的炎癥小體，通過N端Pyrin結(jié)構(gòu)域招募ASC，進(jìn)而招募Caspase-1并將其激活［33］。該研究還發(fā)現(xiàn)AIM2炎癥小體可通過阻滯mTOR-S6K1信號(hào)通路，使雷帕霉素靶蛋白（mTOR）對S6K1蛋白的激活作用減弱，從而抑制肝癌細(xì)胞生長、增殖，且AIM2炎癥小體的堆積會(huì)使肝癌細(xì)胞發(fā)生焦亡，進(jìn)而發(fā)揮抗腫瘤效應(yīng)［33］。因此，通過誘導(dǎo)AIM2炎癥小體表達(dá)，增強(qiáng)細(xì)胞焦亡的效應(yīng)，可能延緩肝癌的進(jìn)展。另有研究發(fā)現(xiàn)，肝癌治療藥物Nutlin-3處理SMMC-7721細(xì)胞后，更多的Caspase-1被活化，誘導(dǎo)了細(xì)胞焦亡的發(fā)生［34］，可見細(xì)胞焦亡在Nutlin-3治療肝癌中可能起抗癌作用，但細(xì)胞焦亡與其關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

2.5 細(xì)胞焦亡與肺腺癌

在細(xì)胞焦亡與肺腺癌細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞焦亡的發(fā)生可促進(jìn)肺腺癌細(xì)胞A549生長、增殖，遷移和侵襲［35］。王艷麗［35］研究NLRP3炎癥小體對A549細(xì)胞增殖、遷移與侵襲的影響，發(fā)現(xiàn)激活的NLRP3炎癥小體可誘導(dǎo)A549細(xì)胞發(fā)生焦亡，進(jìn)而增強(qiáng)A549細(xì)胞的遷移和侵襲能力。提示細(xì)胞焦亡可促使A549細(xì)胞轉(zhuǎn)移，而且活化的NLRP3炎癥小體可促進(jìn)A549細(xì)胞的生長增殖。該研究還發(fā)現(xiàn)多條與細(xì)胞增殖相關(guān)信號(hào)通路的關(guān)鍵蛋白表達(dá)上調(diào)，如PI3K/Akt/GSK-3β/2及蛋白激酶通路MAPK等信號(hào)通路，推測細(xì)胞焦亡可能通過上調(diào)信號(hào)通路關(guān)鍵蛋白的表達(dá)促進(jìn)A549細(xì)胞增殖。另有研究發(fā)現(xiàn)，采用20 μg/mL ZnO-NPs處理A549細(xì)胞24 h后，Caspase-1的活動(dòng)增強(qiáng)且IL-1β、LDH被大量激活，A549細(xì)胞發(fā)生焦亡，從而發(fā)揮抗腫瘤效應(yīng)［36］。推測細(xì)胞焦亡在ZnO-NPs干預(yù)肺腺癌細(xì)胞過程中發(fā)揮抗腫瘤作用。

2.6 細(xì)胞焦亡與鼻咽癌

鼻咽癌（nasopharyngeal carcinoma，NPC）惡性程度較高，易發(fā)生轉(zhuǎn)移。臨床統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，鼻咽癌組織中的炎癥小體NLRP3、AIM2、RIG-I及與腫瘤細(xì)胞相關(guān)的IL-1β表達(dá)增多，其表達(dá)與鼻咽癌患者的局部無復(fù)發(fā)生存率和無瘤生存率呈正相關(guān)，而放化療可進(jìn)一步激活I(lǐng)L-1β、AIM2、NLRP3，提高患者生存率［22］。也有研究表明，NLRP3、AIM2炎癥小體高表達(dá)的鼻咽癌患者5年復(fù)發(fā)率為0，但NLRC4、NLRC7炎癥小體的表達(dá)與鼻咽癌患者生存率無關(guān)［37］。認(rèn)為細(xì)胞焦亡在鼻咽癌放化療治療中的積極作用是肯定的。另有研究發(fā)現(xiàn)，鼻咽癌組織中存在激活的NF-κB信號(hào)通路，該通路可活化IL-1β，進(jìn)而招募大量腫瘤相關(guān)性中性粒細(xì)胞（TANS），抑制腫瘤細(xì)胞生長［22］。還有研究發(fā)現(xiàn)在鼻咽癌細(xì)胞中表達(dá)的EB病毒潛伏膜蛋白LMP1與炎癥相關(guān)基因的表達(dá)及抗原提呈有關(guān)，LMP1與細(xì)胞外信號(hào)分子共同作用激活細(xì)胞的糖酵解過程，再由丙酮酸去活化pro-Caspase，pro-IL-1β和NLRP3炎癥小體，啟動(dòng)細(xì)胞焦亡過程，且丙酮酸可激活NF-κB信號(hào)通路和骨髓來源的抑制性細(xì)胞，抑制腫瘤細(xì)胞發(fā)生又下調(diào)細(xì)胞抗腫瘤的免疫應(yīng)答［38］，但其主效應(yīng)有待研究。

2.7 細(xì)胞焦亡與胃癌

NLRC4在胃癌細(xì)胞中的表達(dá)水平較正常胃上皮細(xì)胞高，并可激活Caspase-1介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡途徑，也可激活Caspase-8相關(guān)的細(xì)胞凋亡途徑［39］。NLRC4是參與無菌性、自體炎癥的炎癥小體，與病原體感染無關(guān)，在巨噬細(xì)胞中，活化的NLRC4炎癥小體可激活Caspase-1，引起細(xì)胞焦亡［40］。研究發(fā)現(xiàn)NLRC4炎癥小體也可激活Caspase-8引起細(xì)胞凋亡，且ASC不可缺少，并發(fā)現(xiàn)有漿細(xì)胞膜損傷從而繼發(fā)壞死［34］。GSDM蛋白家族是關(guān)鍵的細(xì)胞焦亡相關(guān)蛋白，參與焦亡的執(zhí)行過程。研究發(fā)現(xiàn)［41-42］GSDMD和GSDME在胃癌細(xì)胞中的表達(dá)較正常胃上皮細(xì)胞高，Wang等［41］也發(fā)現(xiàn)GSDMD可通過調(diào)控周期相關(guān)蛋白的表達(dá)抑制胃癌細(xì)胞增殖。還有研究發(fā)現(xiàn)化療藥物可通過GSDME將Caspase-3依賴性的凋亡轉(zhuǎn)化為焦亡［42］，因此GSDM蛋白家族可在胃癌發(fā)生和化療治療中發(fā)揮作用。探討細(xì)胞焦亡與細(xì)胞凋亡的關(guān)系，可為胃癌的治療提供新思路。

3 小結(jié)

細(xì)胞焦亡是一種程序性死亡方式，既可抑制腫瘤細(xì)胞增殖，又可形成適宜腫瘤細(xì)胞生長的微環(huán)境，促進(jìn)腫瘤的生長，但細(xì)胞焦亡相關(guān)因子促進(jìn)和抑制腫瘤發(fā)生發(fā)展的雙重作用機(jī)制還有待研究。進(jìn)一步探究細(xì)胞焦亡在不同腫瘤細(xì)胞中的效應(yīng)機(jī)制，以及相關(guān)上下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的蛋白，可為相關(guān)腫瘤的研究和預(yù)防提供新的思路。