細(xì)胞焦亡的生物學(xué)機(jī)制及其在癌癥中的作用研究進(jìn)展

高英 陳微楠 朱雪瓊

細(xì)胞死亡的方式主要分為兩大類，即程序性死亡和非程序性死亡，其中程序性死亡主要包括細(xì)胞凋亡、細(xì)胞焦亡及壞死性凋亡等；非程序性死亡主要包括細(xì)胞壞死等。細(xì)胞焦亡是一種由半胱天冬氨酸蛋白酶-1（Caspase-1）介導(dǎo)的程序性細(xì)胞死亡方式[1]，其特點是快速質(zhì)膜破裂，然后釋放細(xì)胞內(nèi)容物和IL等促炎物質(zhì)，引發(fā)炎癥級聯(lián)反應(yīng)，進(jìn)而造成細(xì)胞的損傷。細(xì)胞焦亡信號通路包括Caspase-1介導(dǎo)的經(jīng)典通路與Caspase-4、Caspase-5、Caspase-11介導(dǎo)的非經(jīng)典通路。在經(jīng)典通路中炎癥體的組裝促進(jìn)Caspase-1的活化[2]；而在非經(jīng)典通路中細(xì)菌脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）促進(jìn) Caspase-4、5、11 的活化[3]，活化的 Caspase-1 或 Caspase-4、5、11 通過裂解消皮素D（Gasdermin D，GSDMD），使其生成N端和C端，GSDMD的N端與細(xì)胞膜磷脂結(jié)合，使細(xì)胞膜形成許多小孔，水分內(nèi)流，導(dǎo)致細(xì)胞腫脹，細(xì)胞膜發(fā)生破裂，細(xì)胞內(nèi)容物釋放，進(jìn)而引起炎癥反應(yīng)，使細(xì)胞發(fā)生焦亡。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞焦亡與癌癥的發(fā)生、發(fā)展關(guān)系密切[4]，對細(xì)胞焦亡與癌癥關(guān)系進(jìn)行研究有助于了解癌癥的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制，為癌癥的干預(yù)提供新的研究思路。本文就細(xì)胞焦亡的生物學(xué)機(jī)制及其在癌癥中的作用研究進(jìn)展作一綜述。

1 細(xì)胞焦亡與細(xì)胞凋亡、壞死性凋亡的區(qū)別

1.1 細(xì)胞焦亡與細(xì)胞凋亡的區(qū)別 （1）兩者所涉及的半胱天冬氨酸蛋白酶（Caspase）不同：凋亡過程中涉及的半胱天冬氨酸蛋白酶主要包括與凋亡起始相關(guān)的Caspase-2、8、9、10 和與凋亡執(zhí)行相關(guān)的 Caspase-3、6、7[5]；焦亡過程中涉及的半胱天冬氨酸蛋白酶主要包括介導(dǎo)經(jīng)典途徑的Caspase-1和介導(dǎo)非經(jīng)典途徑的Caspase-4、Caspase-5、Caspase-11[6]。（2）是否涉及炎癥反應(yīng)：細(xì)胞凋亡是程序性細(xì)胞死亡的一種高度可調(diào)節(jié)的途徑，半胱氨酸蛋白酶導(dǎo)致細(xì)胞基質(zhì)溶解，細(xì)胞核濃縮，DNA裂解和質(zhì)膜收縮，同時產(chǎn)生廣泛的質(zhì)膜泡和許多細(xì)胞凋亡體，但細(xì)胞質(zhì)內(nèi)容物不會在細(xì)胞外釋放，也不會在此過程中引發(fā)任何炎癥反應(yīng)[7]；但焦亡的細(xì)胞核濃縮，細(xì)胞膜形成大量的小孔，水分內(nèi)流，導(dǎo)致細(xì)胞腫脹，細(xì)胞膜發(fā)生破裂，釋放內(nèi)容物，并引起炎性反應(yīng)[8]。（3）細(xì)胞形態(tài)變化不同：細(xì)胞凋亡表現(xiàn)為細(xì)胞基質(zhì)溶解、染色質(zhì)濃縮、細(xì)胞核碎裂和凋亡小體的形成；而細(xì)胞焦亡表現(xiàn)為細(xì)胞DNA斷裂，細(xì)胞核濃縮，細(xì)胞膜破裂。

1.2 細(xì)胞焦亡與壞死性凋亡的區(qū)別 （1）介導(dǎo)質(zhì)膜破裂的機(jī)制不同：在壞死性細(xì)胞凋亡過程中，質(zhì)膜破裂是由受體相互作用蛋白（receptor-interacting protein，RIP）1、RIP3和混合譜系激酶結(jié)構(gòu)域樣蛋白（mixed lineage kinase domain-like protein，MLKL）介導(dǎo)的[9]；而在細(xì)胞焦亡過程中，質(zhì)膜破裂依賴于非選擇性的GSDMD孔[10]。（2）細(xì)胞形態(tài)變化不同：壞死性凋亡主要由于細(xì)胞和細(xì)胞器腫脹，最終導(dǎo)致質(zhì)膜完整性喪失；而細(xì)胞焦亡的特點是細(xì)胞膜形成微小孔隙，水分內(nèi)流，細(xì)胞腫脹，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂[11]。

2 細(xì)胞焦亡的生物學(xué)機(jī)制

2.1 細(xì)胞焦亡的經(jīng)典通路

2.1.1 炎癥體的組裝 炎癥體的組裝是細(xì)胞焦亡經(jīng)典通路的起始步驟，炎癥體是炎癥發(fā)生所必需的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)大分子蛋白復(fù)合體，能夠識別細(xì)菌、病毒等危險信號分子。炎癥體主要由模式識別受體（pattern recognition receptors，PRRs）、凋亡相關(guān)斑點樣蛋白（apoptosis-associated-speck-like protein，ASC）及半胱氨酸蛋白酶-1前體（pro-caspase-1）組成[12]。其中PRRs是負(fù)責(zé)識別細(xì)胞內(nèi)不同信號刺激的受體蛋白，其主要由核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein，NLRP）1、NLRP3、核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白C4（nucleotide-bindingoligomerization domain-like receptor protein C4，NLRC4）、黑色素瘤缺乏因子 2（absent in melanoma 2，AIM2）等組成[13]。ASC是一種銜接蛋白，主要由N端的熱蛋白結(jié)構(gòu)域（pyrin domain，PYD）、C端的半胱天冬酶募集結(jié)構(gòu)域（caspase activation and recruitment domain，CARD）組成[14]。pro-caspase-1是效應(yīng)分子，其被活化后能夠特異性地切割GSDMD。危險信號傳感器NLR1、NLRP3或AIM2識別危險信號分子后，通過其N端的PYD結(jié)構(gòu)域與銜接蛋白N端的PYD結(jié)構(gòu)域結(jié)合，ASC再通過CARDCARD結(jié)構(gòu)域的相互作用募集Caspase-1，完成炎癥體的組裝[15]。

2.1.2 Caspase-1的活化及其功能 炎癥體的作用是活化效應(yīng)分子pro-caspase-1，使其形成具有活性的Caspase-1。活化的Caspase-1能夠特異性地切割GSDMD，使其生成N端和C端，GSDMD的N端與細(xì)胞膜磷脂結(jié)合，使細(xì)胞膜形成許多小孔[16]，細(xì)胞完整性遭到破壞，水分內(nèi)流，導(dǎo)致細(xì)胞腫脹、破裂，釋放細(xì)胞內(nèi)炎性物質(zhì)，誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡的發(fā)生；除此之外，Caspase-1還可以促進(jìn)IL-18、IL-1β前體的成熟，使之裂解為具有活性的IL-18、IL-1β[17]，并通過細(xì)胞膜孔分泌至細(xì)胞外，募集更多的炎癥細(xì)胞，引起炎癥瀑布反應(yīng)。這種由Caspase-1介導(dǎo)的細(xì)胞死亡方式稱為細(xì)胞焦亡的經(jīng)典通路。

2.2 細(xì)胞焦亡的非經(jīng)典通路 細(xì)胞焦亡的非經(jīng)典通路主要由Caspase-4、Caspase-5和Caspase-11介導(dǎo)。細(xì)胞受到細(xì)菌LPS的刺激后，Caspase-4、5、11直接與細(xì)菌LPS結(jié)合并被激活[18]?；罨腃aspase-4、5、11特異性切割GSDMD，解除了對GSDMD-N結(jié)構(gòu)域的分子內(nèi)抑制[19]，GSDMD-N端與細(xì)胞膜磷脂結(jié)合引起細(xì)胞膜孔形成、細(xì)胞腫脹、破裂，誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡；GSDMD-N端還可以通過激活NLRP3炎癥體，進(jìn)而活化Caspase-1[20]，活化的Caspase-1刺激IL-18、IL-1β前體的成熟，并將IL-18、IL-1β分泌至細(xì)胞外，擴(kuò)大炎癥反應(yīng)。Yang等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在依賴Caspase-11的非經(jīng)典通路中，縫隙連接蛋白-1（Pannexin-1）能夠發(fā)生裂解，Pannexin-1裂解可以激活自身通道并釋放ATP，誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡的發(fā)生。Lamkanfi等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在依賴Caspase-11的非經(jīng)典通路中，Pannexin-1裂解還可以通過激活NLRP3炎癥體，進(jìn)而活化Caspase-1，誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡的發(fā)生。

3 細(xì)胞焦亡在癌癥中的作用研究

3.1 細(xì)胞焦亡在乳腺癌中的作用研究 Jiao等[23]研究了人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞的分泌因子對乳腺癌細(xì)胞系MCF-7的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)暴露于人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞分泌因子的MCF-7細(xì)胞可通過分泌IL-1β誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生焦亡，從而引起MCF-7細(xì)胞死亡，表明人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞的分泌因子可以通過細(xì)胞焦亡途徑導(dǎo)致MCF-7細(xì)胞死亡。維甲酸誘導(dǎo)基因I（Retinoic Acid Inducible Gene I，RIG-I）是一種模式識別受體，在識別RNA病毒中起關(guān)鍵作用。Elion等[24]研究了RIG-I介導(dǎo)的先天免疫反應(yīng)在乳腺癌細(xì)胞中的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)乳腺癌細(xì)胞中的RIG-I活化導(dǎo)致乳腺癌細(xì)胞死亡，部分原因是由于細(xì)胞焦亡的激活誘導(dǎo)炎性細(xì)胞因子，白細(xì)胞募集趨化因子的表達(dá)以及主要組織相容性Ⅰ組分的表達(dá)增加有關(guān)。

3.2 細(xì)胞焦亡在肝癌中的作用研究 Chen等[25]報道，印度黃酮（Euxanthone）能夠顯著抑制肝癌細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲，并誘導(dǎo)細(xì)胞死亡，其機(jī)制與印度黃酮能夠激活Caspase-1依賴的細(xì)胞焦亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路有關(guān)。NLRP3炎癥體可促進(jìn)Caspase-1的活化，活化的Caspase-1誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡。Wei等[26]研究了NLRP3炎癥體在肝癌組織和相應(yīng)的癌旁組織中的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與癌旁組織相比，肝癌組織中NLRP3炎癥體的表達(dá)顯著降低，且NLRP3炎癥體的表達(dá)水平與肝癌臨床分期和病理分級呈負(fù)相關(guān)，表明NLRP3炎癥體表達(dá)可抑制肝細(xì)胞癌的疾病進(jìn)展。

3.3 細(xì)胞焦亡在肺癌中的作用研究 Wang等[27]研究發(fā)現(xiàn)，NLRP3炎癥體的激活能夠促進(jìn)肺腺癌A549細(xì)胞的增殖和遷移，其機(jī)制與NLRP3炎性體能夠通過Caspase-1依賴性或非依賴性途徑介導(dǎo)IL-18和IL-1β的釋放有關(guān)，阻斷IL-18或IL-1β信號傳導(dǎo)減輕了NLRP3炎性體對肺腺癌A549細(xì)胞增殖和遷移的影響，表明NLRP3炎性體通過促進(jìn)IL-18和IL-1β的釋放，進(jìn)而促進(jìn)肺腺癌的進(jìn)展。Gao等[28]研究了GSDMD在非小細(xì)胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）中的生物學(xué)功能，發(fā)現(xiàn)與癌旁組織相比，肺癌組織中GSDMD蛋白表達(dá)水平顯著上調(diào)，且GSDMD表達(dá)與腫瘤大小和臨床TNM分期呈正相關(guān)，表明GSDMD表達(dá)上調(diào)參與了非小細(xì)胞肺癌的病情進(jìn)展。Wang等[29]報道，抗高血脂藥物辛伐他汀能夠抑制非小細(xì)胞肺癌的增殖和遷移，其機(jī)制與辛伐他汀能夠激活NLRP3炎癥體、Caspase-1、IL-1β和IL-18，從而誘導(dǎo)非小細(xì)胞肺癌的細(xì)胞焦亡有關(guān)，Caspase-1抑制劑Ac-YVAD-CMK能夠減弱辛伐他汀對非小細(xì)胞肺癌的抑制作用。

3.4 細(xì)胞焦亡在其他癌癥中的作用研究 Li等[30]探討了長鏈非編碼RNA生長停滯特異性轉(zhuǎn)錄物5（long noncoding RNA growth arrest-specific transcript 5，lncRNA GAS5）與卵巢癌的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，lncRNA GAS5外源性過表達(dá)抑制卵巢癌細(xì)胞的增殖和集落形成并促進(jìn)細(xì)胞凋亡。除此之外，LncRNA GAS5還可以通過誘導(dǎo)炎性體形成和細(xì)胞焦亡來抑制卵巢癌。

Wang等[31]研究發(fā)現(xiàn)，GSDMD在胃癌中表達(dá)降低，GSDMD表達(dá)下調(diào)后細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal regulated kinase，ERK）、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子 3（activator of transcription 3，STAT3）和磷脂酰肌醇 3激酶（phosphatidylinositol 3 kinase，PI3K）/蛋白激酶 B（protein kinase B）信號通路被激活，并調(diào)節(jié)細(xì)胞周期相關(guān)蛋白的表達(dá)來加速細(xì)胞S/G2期轉(zhuǎn)換，促進(jìn)胃癌細(xì)胞增殖，表明GSDMD具有抑制胃癌進(jìn)展的作用。

然而，Zhai等[32]報道卻發(fā)現(xiàn)敲低人轉(zhuǎn)移性黑色素瘤細(xì)胞系1205Lu和HS294T中的NLRP1炎癥體能夠抑制黑色素瘤生長，其機(jī)制與NLRP1炎癥體表達(dá)下調(diào)降低了Caspase-1活性、NF-κB活性及IL-1β的產(chǎn)生和分泌有關(guān)，表明NLRP1炎癥體能夠通過增加Caspase-1活性、促進(jìn)IL-1β的分泌，進(jìn)而促進(jìn)黑色素瘤的生長。

NALP1炎癥體是模式識別受體的組成成分，模式識別受體參與炎癥體的組裝。Chen等[33]使用組織微陣列、蛋白質(zhì)印跡和定量實時PCR檢測人正常和結(jié)腸癌組織中NALP1炎癥體的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與正常結(jié)腸組織相比，NALP1炎癥體在結(jié)腸癌組織中表達(dá)較低，并且與患者的較低存活率和腫瘤轉(zhuǎn)移相關(guān)，表明NALP1炎癥體能夠抑制結(jié)腸癌的轉(zhuǎn)移和進(jìn)展。

4 小結(jié)

細(xì)胞焦亡是一種由Caspase-1介導(dǎo)的程序性細(xì)胞死亡方式，其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路包括Caspase-1介導(dǎo)的經(jīng)典通路和Caspase-4、5、11介導(dǎo)的非經(jīng)典通路。細(xì)胞焦亡與癌癥的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。在乳腺癌、肝癌、卵巢癌、胃癌以及結(jié)腸癌中，細(xì)胞焦亡抑制癌癥的進(jìn)展，而在黑色素瘤中，細(xì)胞焦亡促進(jìn)癌癥的進(jìn)展。在肺癌中，NLRP3炎癥體參與的細(xì)胞焦亡促進(jìn)肺腺癌的進(jìn)展，但抑制非小細(xì)胞肺癌的進(jìn)展，而GSDMD參與的細(xì)胞焦亡卻促進(jìn)非小細(xì)胞肺癌的進(jìn)展。因此，深入研究細(xì)胞焦亡與癌癥的關(guān)系，將為癌癥的防治提供新的研究思路。