細(xì)胞焦亡與癲癇

孫立超，朱戰(zhàn)鵬，李薇，林衛(wèi)紅

細(xì)胞死亡是細(xì)胞新陳代謝的終末階段，在疾病的發(fā)生發(fā)展中起到重要作用。細(xì)胞死亡分為壞死和細(xì)胞程序性死亡(PCD)。PCD是由基因調(diào)控的主動性細(xì)胞死亡。1972年Kerr首次提出凋亡以來，發(fā)現(xiàn)凋亡不同于經(jīng)典的細(xì)胞壞死，人們一直將凋亡等同于PCD[1]。近年來，隨著生物技術(shù)的不斷進(jìn)步，研究表明凋亡僅為PCD的一種形式，焦亡、脹亡、自噬、程序性壞死等新的PCD形式不斷報道。細(xì)胞焦亡(pyroptosis)為炎性PCD，參與感染、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、動脈粥樣硬化、腫瘤等疾病的病理生理過程。研究[2-3]表明細(xì)胞焦亡參與癲癇的發(fā)病機(jī)制，抑制神經(jīng)元焦亡可能成為癲癇治療的新思路。

1 細(xì)胞焦亡

1.1 細(xì)胞焦亡的概念 細(xì)胞焦亡是一種由Gasdermin介導(dǎo)的炎性PCD，由感染與內(nèi)源性損傷相關(guān)性信號誘導(dǎo)，依賴天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶(caspase)，切割Gasdermin蛋白使其活性N-末端片段在質(zhì)膜上形成膜孔，進(jìn)而促進(jìn)炎性介質(zhì)(IL-1β、IL-18)釋放，啟動機(jī)體天然免疫機(jī)制而引起炎癥反應(yīng)，最終細(xì)胞發(fā)生滲透性崩解而死亡[4]。細(xì)胞焦亡于2001年由Cookson首次命名，在沙門菌感染巨噬細(xì)胞模型中發(fā)現(xiàn)依賴于caspase-1的特殊PCD，該PCD有別于傳統(tǒng)的依賴于caspase-3的凋亡[5]。細(xì)胞焦亡的英文為pyroptosis，源于希臘語，意思是“落下的火”，該詞形象地描述了宿主細(xì)胞突然釋放促炎信號的過程。

1.2 細(xì)胞焦亡的特征 細(xì)胞焦亡形態(tài)學(xué)不同于凋亡和壞死，且兼二者的部分特點。焦亡與凋亡相似，均有核固縮、染色質(zhì)DNA斷裂、TUNEL染色陽性等。與凋亡不同而與壞死相同的是，焦亡細(xì)胞膜完整性喪失后胞內(nèi)容物釋放，誘發(fā)局部及全身炎癥反應(yīng)。焦亡為caspase-1依賴的，而凋亡為caspase-3依賴的，且二者均為PCD，而壞死非PCD。焦亡與壞死均伴有炎性反應(yīng)，而凋亡不伴有炎性反應(yīng)。

1.3 細(xì)胞焦亡信號通路與相關(guān)蛋白 細(xì)胞焦亡依賴于caspase-1 和感知細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌內(nèi)毒素脂多糖(LPS)的caspase-4/5/11，caspase-4/5 為小鼠caspase-11 在人體中的同源蛋白。依據(jù)是否依賴caspase-1，細(xì)胞焦亡分為依賴caspase-1的經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑和非caspase-1依賴的細(xì)胞焦亡途徑兩種。

1.3.1 依賴caspase-1的經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑 宿主細(xì)胞模式識別受體(PRRs)識別病原體相關(guān)分子模式(PAMP)與損傷相關(guān)分子模式(DAMP)后機(jī)體啟動固有免疫應(yīng)答，從而激活下游信號通路。PRRs主要分為五大類：Toll樣受體(TLRs)、NOD樣受體(NLRs)、AIM2樣受體(ALRs)、RIG-I樣受體(RLRs)及C型凝集素受體(CLRs)[6]。PRRs被激活后形成炎癥小體(inflammasome)。炎癥小體由感受器[PRRs(主要為NLRs家族中的NLRP1、NLRP3、NLRC4)]、銜接蛋白[凋亡相關(guān)斑點樣蛋白(ASC)]以及效應(yīng)器[caspase-1前體(pro-caspase-1)]三部分組成。炎癥小體的形成最終使pro-caspase-1形成有活性的caspase-1。caspase-1又稱IL-1β轉(zhuǎn)化酶(ICE)，將無活性的pro-IL-1β與pro-IL-18裂解為具有活性的IL-1β和IL-18，并使之分泌到細(xì)胞外，募集更多的炎癥細(xì)胞，促進(jìn)炎癥反應(yīng)。

研究表明GSDMD可能是caspase-1的下游靶蛋白，并參與到經(jīng)典焦亡途徑中[7]。GSDMD表達(dá)于免疫細(xì)胞和小腸黏膜上皮細(xì)胞表面，由242個氨基酸組成。GSDMD為焦亡的關(guān)鍵底物蛋白，為caspase-1誘導(dǎo)焦亡的直接執(zhí)行蛋白。GSDMD屬于Gasdermin 蛋白家族成員之一，該家族還包括GSDMA、GSDMB、GSDMCD、DFNA5、DFNB59等，含有N端和C端兩個結(jié)構(gòu)域，該家族具有自動抑制孔形成的結(jié)構(gòu)域[8]。在經(jīng)典焦亡途徑中GSDMD被caspase-1切割裂解成GSDMD-N和GSDMD-C，抑制孔形成功能喪失。GSDMD-N具有親脂性和成孔活性，GSDMD-N通過形成低聚物而識別細(xì)胞膜上的磷脂分子，導(dǎo)致細(xì)胞膜上形成直徑為1～2 nm的孔[9]。細(xì)胞膜上孔的形成，改變細(xì)胞滲透壓，導(dǎo)致IL-1β和IL-18的釋放，破壞細(xì)胞膜完整性，進(jìn)而促進(jìn)焦亡的發(fā)生發(fā)展[10]。

1.3.2 非caspase-1依賴的細(xì)胞焦亡途徑 不同于依賴caspase-1的經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑，非caspase-1依賴的細(xì)胞焦亡途徑又稱非經(jīng)典途徑，由caspase-4/5/11介導(dǎo)。LPS為非經(jīng)典途徑的觸發(fā)因子，可直接與caspase-4/5/11高親和力結(jié)合，進(jìn)而激活caspase-4/5/11[11]?；罨腸aspase-4/5/11切割GSDMD蛋白，GSDMD蛋白N 端介導(dǎo)細(xì)胞膜穿孔與細(xì)胞焦亡。此外，GSDMD-N可激活經(jīng)典途徑的NLRP3，從而促進(jìn)GSDMD的進(jìn)一步切割及IL-1β和IL-18的釋放[12]。由此可見GSDMD-N、NLRP3為經(jīng)典途徑與非經(jīng)典途徑的交叉點，進(jìn)而形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)化細(xì)胞焦亡調(diào)控機(jī)制。

2 細(xì)胞焦亡與癲癇

癲癇是多種原因引起的腦內(nèi)神經(jīng)元異常過度、同步化放電所致的以具有持久性的致癇傾向為特征的腦部疾病。研究表明細(xì)胞焦亡與炎癥反應(yīng)參與癲癇的發(fā)病機(jī)制。因此，有望發(fā)現(xiàn)癲癇防治的新靶點。

2.1 NLRP1炎癥小體與癲癇 許雪梅等[13]在戊四氮癲癇大鼠模型中發(fā)現(xiàn)與正常對照組相比較，左乙拉西坦各劑量組NLRP1、caspase-1的表達(dá)增高；與模型組比較，左乙拉西坦各劑量組NLRP1、caspase-1的表達(dá)降低，且劑量-效應(yīng)關(guān)系明顯。結(jié)果表明左乙拉西坦抑制癲癇發(fā)作、減輕海馬損傷及改善認(rèn)知均與抑制海馬神經(jīng)元NLRP1、caspase-1的表達(dá)有關(guān)。Tan等[2]研究發(fā)現(xiàn)藥物難治性顳葉癲癇(TLE)患者海馬組織中NLRP1、caspase-1的表達(dá)上調(diào)。在杏仁核點燃的TLE大鼠模型中，敲低NLRP1、caspase-1可明顯減輕神經(jīng)元焦亡。結(jié)果表明NLRP1/caspase-1信號通路參與癲癇的發(fā)病機(jī)制，且抑制NLRP1炎癥小體可能是治療TLE的有效策略。Gao等[14]發(fā)現(xiàn)戊四氮癲癇模型中NLRP1炎癥小體、炎癥介質(zhì)IL-1β、IL-18、IL-6、TNF-α表達(dá)增加，應(yīng)用青藤堿后劑量相關(guān)地抑制癲癇發(fā)作、認(rèn)知及NLRP1炎癥小體及上述炎癥介質(zhì)的表達(dá)。結(jié)果表明青藤堿有抗癲癇及神經(jīng)保護(hù)作用，該效應(yīng)可能通過抑制NLRP1炎癥小體介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)所實現(xiàn)。Dixit等[15]對TLE患者海馬組織進(jìn)行全轉(zhuǎn)錄組測序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)NLRP1基因為藥物TLE的候選基因之一。

2.2 NLRP3炎癥小體與癲癇 賈天明等[16]研究發(fā)現(xiàn)氯化鋰-匹羅卡品癲癇模型中NLRP3、caspase-1、IL-1β的表達(dá)增多，褪黑素可通過降低癲癇海馬組織中的NLRP3、caspase-1、IL-1β的表達(dá)發(fā)揮腦保護(hù)作用。該研究表明NLRP3炎性小體在癲癇發(fā)作后被激活，在癲癇腦損傷發(fā)揮一定作用，抑制NLRP3炎性小體的表達(dá)可產(chǎn)生腦保護(hù)效應(yīng)。Meng等[3]研究發(fā)現(xiàn)在杏仁核點燃的癲癇持續(xù)狀態(tài)(SE)大鼠模型中，SE后3 h IL-1β、NLRP3炎癥小體表達(dá)顯著增多，SE后12 h達(dá)高峰。敲減NLRP3或caspase-1可降低IL-1β、IL-18的水平，同時在SE后第6周亦可減少CA1、CA3區(qū)海馬神經(jīng)元的丟失。該研究表明SE后NLRP3炎癥小體顯著上調(diào)，抑制NLRP3炎癥小體可起到SE后神經(jīng)保護(hù)作用。Mohseni-Moghaddam等[17]研究表明石杉堿甲可能通過減輕氧化應(yīng)激下調(diào)海人酸癲癇模型的NLRP3及caspase-1的表達(dá)而起到抑制癲癇發(fā)作及改善癲癇后記憶損傷的作用。Zhu等[18]研究發(fā)現(xiàn)在海人酸癲癇模型異甘草素可減輕NLRP3、caspase-1、IL-1β、IL-18的表達(dá)。結(jié)果表明異甘草素可能通過調(diào)控NLRP3炎性小體通路而起到癲癇后認(rèn)識功能障礙的保護(hù)作用。

3 小結(jié)

目前研究表明，細(xì)胞焦亡的經(jīng)典途徑在癲癇發(fā)生發(fā)展中活化且加重腦損傷及認(rèn)知功能，抑制炎癥小體可減少癲癇發(fā)作以及發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)機(jī)制。細(xì)胞焦亡的非經(jīng)典途徑在癲癇的發(fā)病機(jī)制中尚不明確。因此，細(xì)胞焦亡的信號通路可能成為癲癇治療的新靶點，為探索預(yù)防和治療癲癇的新技術(shù)和新手段奠定理論基礎(chǔ)。