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(huán)節(jié)： 一個是細胞分裂，延續(xù)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(nèi)的多細胞生物來說，細胞死亡并不意味著生命的終結(jié)，其重要性與細胞分裂與增殖等同，都為個體的正常生長發(fā)育所必需。

根據(jù)死亡細胞的形態(tài)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(nèi)物質(zhì)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(fā)的細胞死亡，其特征是混亂無序、難以逆轉(zhuǎn)且不可控；細胞凋亡則被認為是一種由凋亡信號誘發(fā)的、主動有序的、可被調(diào)控的主動死亡方式[1]。

近年來，研究者發(fā)現(xiàn)了一種與炎癥反應(yīng)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(tài)學上同時具有壞死和凋亡的特征： 發(fā)生焦亡的細胞會出現(xiàn)細胞核皺縮、外吐小泡、染色質(zhì)DNA斷裂、末端脫氧核苷酸轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)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(nèi)部，導(dǎo)致細胞腫脹、細胞膜爆裂、內(nèi)容物釋放，即誘發(fā)炎癥反應(yīng)；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(fā)級聯(lián)放大的炎性反應(yīng)[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(fā)病理性炎癥的消極作用。近年，細胞焦亡相關(guān)研究逐漸成為細胞生物學領(lǐng)域的研究熱點。

2 細胞焦亡的信號途徑

研究發(fā)現(xiàn)，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(jù)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(jīng)典和非經(jīng)典途徑。

2.1 經(jīng)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(dǎo)發(fā)生細胞膜穿孔、細胞溶解、死亡，胞內(nèi)物質(zhì)釋放等一系列炎癥反應(yīng)現(xiàn)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(yīng)。這種依賴Caspase-1的細胞焦亡方式稱為經(jīng)典細胞焦亡途徑[3]。炎性小體的形成是經(jīng)典細胞焦亡途徑的重要特征之一。

2.2 非經(jīng)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(nèi)受體與LPS直接結(jié)合而介導(dǎo)細胞焦亡進程，被稱為非經(jīng)典細胞焦亡途徑[4]。需要指出的是，經(jīng)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(jié)構(gòu)域樣受體家族3(nucleotide-binding domain leucine-rich-containing family pyrin domain containing 3, NLRP3)和凋亡相關(guān)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(dǎo)非經(jīng)典細胞焦亡的必需條件。

3 細胞焦亡通路中的主要相關(guān)蛋白

主要介紹3類相關(guān)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(dǎo)核蛋白結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)域(caspase activation and recruitment domain, CARD)和熱蛋白結(jié)構(gòu)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(nèi)源性危險相關(guān)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(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns, PAMPs)所觸發(fā)。

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(yīng)上游信號分子，通過活化的Caspase-1將細胞焦亡信號傳導(dǎo)到下游焦亡執(zhí)行蛋白，最終出現(xiàn)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(fā)揮著重要作用，它是一組同源性很強、結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)的caspase蛋白酶家族成員有16種，其中Caspase-1與經(jīng)典細胞焦亡途徑相關(guān)，Caspase-4/5/11則與非經(jīng)典細胞焦亡途徑相關(guān)。

Caspase-1即IL-1轉(zhuǎn)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(dǎo)炎性反應(yīng)，并能在細胞死亡中發(fā)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(zhì)中。當細胞受到各種胞外病原體或胞內(nèi)危險信號刺激時,細胞內(nèi)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(nèi)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(jié)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(yīng)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(zhí)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(jié)構(gòu)域。GSDMD-N能特異性與細胞膜結(jié)合導(dǎo)致細胞膜穿孔，誘導(dǎo)細胞焦亡；而GSDMD-C則會與GSDMD-N產(chǎn)生結(jié)構(gòu)自抑制，從而抑制細胞焦亡。

Shi等[7]采用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)進行的研究發(fā)現(xiàn)，GSDMD的切割對于炎性Caspase的激活并引發(fā)細胞焦亡具有重要作用，證明了Gasdermin蛋白家族普遍具有誘導(dǎo)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(jīng)典及非經(jīng)典炎性反應(yīng)中發(fā)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(zhuǎn)而發(fā)生細胞凋亡。

4 細胞焦亡相關(guān)疾病

機體的免疫系統(tǒng)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(yīng)答實現(xiàn)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(yīng)對病原體的一種重要的天然免疫反應(yīng)。然而它也是一柄“雙刃劍”，正常的免疫應(yīng)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(fā)相關(guān)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(jīng)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(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)為艾滋病的治療提供了新的思路。

4.2 神經(jīng)系統(tǒng)疾病 研究表明，中樞神經(jīng)系統(tǒng)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(jīng)元病等)的發(fā)展都有細胞焦亡參與。最近有研究發(fā)現(xiàn)，細胞外神經(jīng)炎性斑內(nèi)β-淀粉樣蛋白(amyloid-β, Aβ)可以激活由NLRP1炎性小體介導(dǎo)的細胞焦亡引起神經(jīng)元缺失及局部炎癥反應(yīng)，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(jīng)元缺失及認知障礙的加重。這些發(fā)現(xiàn)為阿爾茨海默癥的治療展現(xiàn)了新的策略。

4.3 動脈粥樣硬化 炎性小體能激活并介導(dǎo)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(nèi)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(chǎn)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(dǎo)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(zhì)在動脈粥樣硬化病程發(fā)展中能導(dǎo)致細胞焦亡[10]。

4.4 其他疾病 細胞焦亡機制主要在于內(nèi)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(jié)構(gòu)并釋放炎性因子，最終導(dǎo)致伴有炎癥反應(yīng)的細胞死亡。研究證實，沉默NLRP3基因可阻斷由Caspase-1介導(dǎo)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(dǎo)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(jié)晶可激活NLRP3炎性小體和觸發(fā)IL-1β釋放，且痛風患者滑膜尿酸水平與關(guān)節(jié)液中IL-1β和IL-18呈正相關(guān)。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(fā)展中都有重要作用。

5 結(jié)語

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