細(xì)胞焦亡在自身炎癥性疾病發(fā)病中的作用

苗俊珂，沈敏

自身炎癥性疾病(systemic autoinflammatory diseases，SAIDs)是由于基因突變引起固有免疫異常，進(jìn)而造成系統(tǒng)性或器官特異性炎癥的一組遺傳性疾病[1]。固有免疫是機(jī)體抵御外來入侵的第一道防線，主要通過模式識別受體(pattern recognition receptor，PRR)識別病原相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular pattern，PAMP)與損傷相關(guān)分子模式(danger-associated molecular pattern，DAMP)激活下游信號通路發(fā)揮作用，其功能的異?；蛉毕菖cSAIDs的發(fā)生密切相關(guān)[2]。細(xì)胞焦亡(pyropto-sis)是近年來逐漸被定義的一種細(xì)胞程序性死亡，與凋亡不同，焦亡是一種細(xì)胞的炎性死亡，其主要效應(yīng)是在細(xì)胞死亡的同時釋放炎性介質(zhì)從而引發(fā)機(jī)體炎癥反應(yīng)。作為固有免疫的重要組成部分，焦亡一方面可通過炎癥反應(yīng)清除胞內(nèi)危險因素起到免疫保護(hù)作用，另一方面其過度活化也可導(dǎo)致炎癥反應(yīng)過強(qiáng)而致病。已有研究表明，多種疾病,如感染性疾病、自身免疫性疾病、動脈粥樣硬化及腫瘤的發(fā)病過程中均有焦亡參與[3-5]。引起細(xì)胞焦亡的主要信號之一為胞內(nèi)PRR,如核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(NLR pyrin domain containing 3, NLRP3)、核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白C4 (NLR containing a caspase recruitment domain 4, NLRC4)與炎素(pyrin)等炎性小體的異常活化，這也是SAIDs重要的發(fā)病機(jī)制之一。二者共同的上游信號通路提示，焦亡在SAIDs的發(fā)病中可能也起重要作用。本文對焦亡在SAIDs發(fā)病機(jī)制中的作用進(jìn)行綜述。

1 細(xì)胞焦亡與炎癥

雖然細(xì)胞焦亡早已被觀察到，但直到2001年這一概念才被正式提出[6]。近年來隨著人們對焦孔素(gasdermin)認(rèn)識的不斷加深，焦亡的概念也在不斷更新?，F(xiàn)普遍認(rèn)為細(xì)胞焦亡是一種由gasdermin蛋白，尤其是焦孔素D(gasdermin D,GSDMD)介導(dǎo),可有半胱氨酸蛋白酶(caspase)參與的細(xì)胞程序性死亡[7-10]，其發(fā)生過程主要包括炎性半胱氨酸蛋白酶活化、GSDMD裂解釋放以及胞膜成孔破裂等幾個方面。

炎性半胱氨酸蛋白酶包括caspase-1/4/5/11，其激活方式包括由活化的炎性小體與caspase-1介導(dǎo)的經(jīng)典途徑以及由細(xì)菌脂多糖(lipopolysaccharides, LPS)與caspase-4/5/11介導(dǎo)的非經(jīng)典途徑兩種。炎性小體為胞內(nèi)一種多聚蛋白復(fù)合物，主要由傳感器，適配器以及酶原前體(procaspase-1)三部分組成。在焦亡的經(jīng)典途徑中，活化的炎性小體可促進(jìn)胞內(nèi)procaspase-1自身剪切成為有活性的caspase-1，后者一方面可引起促炎因子白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-1β、IL-18等的釋放，另一方面可引起GSDMD蛋白裂解進(jìn)而發(fā)生焦亡。非經(jīng)典途徑中，caspase-4/5/11可直接識別細(xì)菌LPS發(fā)生寡聚化，從而裂解GSDMD引發(fā)焦亡[8,11-12]。GSDMD的裂解位點位于其氨基端結(jié)構(gòu)域(GSDMD-N)和羧基端結(jié)構(gòu)域(GSDMD-C)相連的部位，正常情況下，GSDMD-N可被GSDMD-C抑制，而焦亡發(fā)生時，GSDMD裂解活化使GSDMD-N自GSDMD-C釋放，隨之發(fā)生寡聚化并轉(zhuǎn)位至胞膜上，與胞膜脂蛋白結(jié)合介導(dǎo)胞膜成孔，并引起胞內(nèi)鉀離子自小孔外流，細(xì)胞內(nèi)外滲透壓差增大，最終使細(xì)胞發(fā)生腫脹溶解，破裂死亡[7,13-15]。與此同時，胞內(nèi)各種促炎因子如IL-1β，IL-18也可通過胞膜小孔或破裂的胞膜釋放至胞外，不僅放大了原有炎癥作用，還可引起全身的炎癥反應(yīng)[16](圖1)。

近期研究發(fā)現(xiàn)，GSDMD還可通過多種機(jī)制促進(jìn)機(jī)體炎癥反應(yīng)發(fā)生。一方面，GSDMD可通過非焦亡方式引起IL-1β釋放從而發(fā)揮類似焦亡的作用，如中性粒細(xì)胞中，GSDMD活化裂解后其GSDMD-N并不向移向胞膜成孔而是移向噬天青顆粒及自噬小體，通過自噬作用引起胞膜成孔進(jìn)而釋放IL-1β[17]。腸上皮細(xì)胞中caspase-8的活化也可激活GSDMD，通過胞吐的方式引起含有IL-1β小泡的釋放，這些炎癥介質(zhì)可作為外源危險因素進(jìn)一步使機(jī)體分泌更多IL-1β[18]。另一方面，GSDMD-C除可發(fā)揮抑制GSDMD-N的作用外，還可與caspase-1/4自身加工產(chǎn)生的p10片段相結(jié)合，正反饋促進(jìn)GSDMD裂解，進(jìn)一步促進(jìn)焦亡發(fā)生[19-20]。此外，作為程序性死亡的一種，焦亡與其余類型的細(xì)胞死亡之間也存在緊密聯(lián)系。多項研究表明，在caspase-1失活或缺失的小鼠中，凋亡相關(guān)半胱氨酸蛋白酶caspase-3/8可被激活[7]，進(jìn)而引起細(xì)胞溶解性死亡，該過程可能是由GSDMD相關(guān)焦亡被抑制所致。但對其下游的細(xì)胞死亡方式現(xiàn)仍存爭議，Lee等[21]認(rèn)為該溶解性死亡為繼發(fā)于凋亡的細(xì)胞壞死，而Schneider等則認(rèn)為這可能是一種與凋亡和焦亡均不完全相同的炎性死亡[22]。

綜上，焦亡可通過不同機(jī)制促進(jìn)炎癥發(fā)生與細(xì)胞死亡，還可與其他細(xì)胞死亡方式相互配合，共同維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。

2 細(xì)胞焦亡與SAIDs之間的關(guān)系

炎性小體病是最為常見的一類SAIDs，其主要發(fā)病機(jī)制為基因突變引起的炎性小體活化閾值降低或異常持續(xù)活化，因此，焦亡與SAIDs存在共同的上游信號通路，在SAIDs發(fā)病中焦亡可能起到了重要作用：第一，在某些SAIDs動物模型中，敲除GSDMD相關(guān)基因抑制焦亡發(fā)生后，炎癥得以緩解[23-24]；第二，SAIDs患者體內(nèi)起致病作用的高水平IL-1β和IL-18可能是經(jīng)焦亡形成的膜上小孔及破裂胞膜所釋放，在GSDMD相關(guān)基因敲除的小鼠中IL-1β的成熟雖不受影響但其釋放過程受限[8,10]；第三，炎性小體病中抑制IL-1β、IL-18并不能完全緩解炎癥，說明細(xì)胞尚可通過其死亡引起炎癥，該死亡方式與caspase-1相關(guān)，很可能就是焦亡[25]。

圖 1 焦亡發(fā)生過程

但焦亡與SAIDs之間的關(guān)系尚未完全確定。首先，不同病因引起炎性小體活化進(jìn)而發(fā)生焦亡的機(jī)制有所不同，如大多研究中焦亡由細(xì)菌感染誘發(fā)，其引起NLRP3炎性小體的活化需經(jīng)啟動與激活兩步反應(yīng)，而SAIDs中焦亡的發(fā)生則是由基因突變引起炎性小體活化所致，往往僅需啟動反應(yīng)一步[26]。再如細(xì)菌感染活化pyrin炎性小體時需要完整的微管結(jié)構(gòu)參與，而MEFV基因突變后不需微管結(jié)構(gòu)參與即可引起pyrin炎性小體活化[27-28]。其次，如前所述，機(jī)體可通過一些與焦亡無關(guān)而與GSDMD相關(guān)的方式引起IL-1β釋放，從而起到類似焦亡的作用[18]，故在SAIDs動物模型中通過敲除GSDMD相關(guān)基因研究焦亡的作用時，可能無法確定其實驗結(jié)果是由于焦亡被抑制引起，還是由于與焦亡無關(guān)而與GSDMD相關(guān)的IL-1β釋放受抑制所致。因此，SAIDs與焦亡的確切關(guān)系仍需進(jìn)一步研究。

3 細(xì)胞焦亡在幾種常見SAIDs中的作用

3.1 NLRP3炎性小體病

與NLRP3炎性小體相關(guān)的SAIDs既包括單基因病冷炎素相關(guān)周期綜合征(cryopyrin-associated periodic syndrome，CAPS)，又包括多基因病如克羅恩病、痛風(fēng)等，此部分主要對CAPS與焦亡的關(guān)系進(jìn)行介紹。

CAPS是由NLRP3基因發(fā)生功能獲得性突變導(dǎo)致NLRP3炎性小體持續(xù)活化所引發(fā)的一組SAIDs。根據(jù)癥狀不同，CAPS可分為新生兒起病多系統(tǒng)炎癥性疾病(neonatal onset multisystem inflammatory disease，NOMID)、Muckle-Wells綜合征(Muckle-Wells syndrome，MWS)以及家族性冷自身炎癥綜合征(familial cold autoinflammatory syndrome，F(xiàn)CAS)三種類型，其共同的臨床癥狀包括發(fā)熱、蕁麻疹以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥。

與MWS不同， NOMID和FCAS患者僅部分對IL-1拮抗劑有效，提示除IL-1β外還有其余因素參與CAPS的發(fā)病[25]。2013年Brydges等[25]在FCAS小鼠模型中發(fā)現(xiàn)了一種與caspase-1相關(guān)的非凋亡性細(xì)胞死亡方式可引起炎癥，推測該死亡方式即為細(xì)胞焦亡。此外，研究表明蛋白激酶A(PKA)可直接磷酸化NLRP3基因的特定位點使其失活并抑制細(xì)胞焦亡，部分NOMID患者由于該特定位點突變從而出現(xiàn)NLRP3異?；罨敖雇霭l(fā)生[29]。一項體內(nèi)實驗通過敲除NOMID小鼠模型中的GSDMD，發(fā)現(xiàn)其皮膚病變、脾大、生長受限等癥狀均有所緩解，肝、皮下組織以及脾等組織中的中性粒細(xì)胞浸潤也有所減少，進(jìn)一步證實GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡在NOMID的發(fā)病中可起重要作用，GSDMD有望作為NOMID治療的新靶點[24]。

3.2 Pyrin相關(guān)自身炎癥性疾病

Pyrin相關(guān)自身炎癥性疾病(pyrin-associated autoinflammatory disease，PAAD)是一組由MEFV基因突變引起pyrin炎性小體過度活化，進(jìn)而引發(fā)一系列癥狀的SAIDs，可分為家族性地中海熱(familial Mediterranean fever, FMF)、pyrin相關(guān)自身炎癥性中性粒細(xì)胞性皮炎(pyrin-associated autoinflammation with neutrophilic dermatosis，PAAND)、慢性無菌性骨髓炎以及青斑樣潰瘍性皮炎等多種類型。目前有報道FMF和PAAND的發(fā)病與焦亡相關(guān)[2]。

FMF是一組常染色體隱性遺傳病，主要臨床表現(xiàn)包括周期性發(fā)熱、皮疹、漿膜炎以及關(guān)節(jié)炎等，其發(fā)病主要由MEFV基因突變引起Rho GTPase失活，進(jìn)而引起pyrin炎性小體活化閾值降低所致，活化后的pyrin炎性小體可引起細(xì)胞焦亡發(fā)生。研究表明，MEFV等位基因突變的個數(shù)與FMF癥狀的嚴(yán)重程度及外周血中焦亡的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)，且抑制FMF患者外周血中pyrin炎性小體活化所必需的PKN1、2蛋白后其焦亡的程度也可大大減弱[28]。近年來，Lamkanfi等[30]通過體外實驗證明，用梭狀芽孢桿菌感染FMF模型小鼠的巨噬細(xì)胞可引起焦亡發(fā)生，同時伴有IL-1β分泌增加；進(jìn)一步體內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)，敲除該模型小鼠GSDMD基因后IL-1β水平明顯下降，炎癥緩解，且器官特異性炎性損傷如肝炎、腎小球腎炎、結(jié)腸炎等也同樣得到緩解。這些研究均表明GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡在FMF的發(fā)病中可能起重要作用，GSDMD有望成為治療FMF的新靶點。

PAAND為一種常染色體隱性遺傳病，主要臨床表現(xiàn)為幼年起病，反復(fù)發(fā)作的嗜中性粒細(xì)胞性皮炎、周期性發(fā)熱、關(guān)節(jié)痛、肌痛或肌炎等。與FMF不同，其發(fā)病機(jī)制為MEFV基因特定位點功能獲得性突變，導(dǎo)致pyrin炎性小體正常抑制狀態(tài)被破壞而持續(xù)活化，進(jìn)而引起IL-1β和IL-18大量釋放以及GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡。PAAND患者外周血單核細(xì)胞中可見細(xì)胞焦亡水平的增加[27,31-33]，焦亡介導(dǎo)的胞膜成孔及胞內(nèi)DAMP釋放可引起皮膚等局部組織中大量細(xì)胞因子的產(chǎn)生與聚集，最終引起PAAND患者的嗜中性皮病與炎癥[33]。

3.3 NLRC4炎性小體病

NLRC4相關(guān)炎性小體病主要包括三種：自身炎癥伴嬰幼兒小腸結(jié)腸炎(autoinflammation with infantile enterocolitis，AIFEC)，NOMID(部分)和FCAS4。其中僅AIFEC有報道可能與焦亡相關(guān)[34-35]。

AIFEC是2014年新發(fā)現(xiàn)的一種由NLRC4基因HD1結(jié)構(gòu)域發(fā)生功能獲得性突變導(dǎo)致NLRC4炎性小體異?；罨鸬腟AID，主要表現(xiàn)為周期性發(fā)熱、分泌性腹瀉、新生兒結(jié)腸炎及巨噬細(xì)胞活化綜合征。AIFEC患者外周血中可見焦亡增多的現(xiàn)象[36-37]。2018年Moghaddas等[38]研究發(fā)現(xiàn)NLRC4基因亮氨酸富集結(jié)構(gòu)域(LRR)發(fā)生突變也可引起與AIFEC相似的癥狀，但LRR結(jié)構(gòu)域突變引起細(xì)胞焦亡的過程并不依賴凋亡斑點蛋白參與，表明該位點突變引起的細(xì)胞焦亡可能并非位于NLRC4炎性小體下游，而是與NLRC4炎性小體的活化并列位于caspase-1下游。

3.4 多基因SAIDs

多基因SAIDs的發(fā)病機(jī)制較為復(fù)雜，常由遺傳、免疫與環(huán)境等多種因素共同作用引起，常見疾病包括成人Still 病、白塞病、克羅恩病(Crohn’ s disease，CD)、痛風(fēng)等。現(xiàn)有研究提示焦亡可能與CD及痛風(fēng)的發(fā)病有關(guān)。

CD以腹痛、腹瀉等消化道癥狀為主要臨床表現(xiàn)，與NOD2基因相關(guān)。早有研究發(fā)現(xiàn)CD患者腸上皮細(xì)胞(intestinal epithelial cell，IEC)和巨噬細(xì)胞中焦亡相關(guān)蛋白如caspase-1的p20片段、NLRP3、GSDMD等表達(dá)水平增高，提示這兩種細(xì)胞的焦亡可能與CD腸黏膜屏障功能破壞及炎癥密切相關(guān)[39-40]。

盡管IEC可通過細(xì)胞焦亡清除部分被病原體感染的細(xì)胞，但其主要作用仍為破壞黏膜屏障從而導(dǎo)致炎癥發(fā)生[41]。一項由100位CD患者參與的多中心隊列研究發(fā)現(xiàn)，回腸IEC中焦亡的嚴(yán)重程度可作為一種潛在的生物標(biāo)記用以判斷疾病活動度，預(yù)測抗干擾素藥物維度麗珠單抗(vedolizumab)對CD的治療效果，甚至還可用于指導(dǎo)生物制劑選擇[42]。細(xì)胞有絲分裂相關(guān)酶(NIMA-related kinase 7，NEK7)為NLRP3炎性小體活化所必須的酶[43]，Chen等[39]通過體外實驗發(fā)現(xiàn)，IEC中NLRP3活化后可與NEK7相互作用促進(jìn)IEC發(fā)生焦亡，這在CD的發(fā)病中起重要作用。進(jìn)一步體內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)，敲除結(jié)腸炎小鼠中NEK7基因，焦亡相關(guān)蛋白的表達(dá)水平有所下降，且其腸道的炎癥癥狀及全身炎癥癥狀均有所緩解。

在與CD發(fā)病相關(guān)的巨噬細(xì)胞中，細(xì)胞焦亡也可起到促炎作用。最近一項研究表明，CD患者腸黏膜受損后，巨噬細(xì)胞可釋放胞核蛋白剪接體相關(guān)蛋白130(spliceosome-associated protein 130，SAP130)作為一種DAMP激活C型凝集素-脾酪氨酸激酶(Mincle-Syk)信號通路，活化其下游的NLRP3/caspase-1，進(jìn)而促進(jìn)GSDMD裂解和焦亡發(fā)生，同時釋放大量IL-1β和IL-18等炎性細(xì)胞因子[40]。然而另有研究表明，雖然與IEC相比，巨噬細(xì)胞胞內(nèi)GSDMD較少，且其介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡主要起促炎作用，但GSDMD本身對于腸道炎癥也可起保護(hù)作用。在結(jié)腸炎模型小鼠中，GSDMD可通過抑制環(huán)磷酸鳥苷-腺苷合成酶-干擾素基因刺激因子(cGAS-STING)信號通路減輕腸道炎癥癥狀，這一過程與腸道菌群無關(guān)，主要是由GSDMD在胞膜成孔引起大量鉀離子排出所致[44]。總之，雖然巨噬細(xì)胞焦亡主要起促炎作用，但其胞內(nèi)的GSDMD可能同時具有促炎和抑炎的雙重作用。

痛風(fēng)是由單鈉尿酸鹽(mono-sodimu urate，MSU)晶體沉積在關(guān)節(jié)及其周圍組織進(jìn)而引起全身炎癥反應(yīng)的一種多基因SAID。雖然早有研究表明MSU引起炎癥的發(fā)生與NLRP3炎性小體的活化密切相關(guān)[45-46]，但對細(xì)胞焦亡在痛風(fēng)發(fā)病中所起的作用現(xiàn)仍存爭議[47]。一項體外實驗發(fā)現(xiàn)，MSU晶體可迅速引起小鼠巨噬細(xì)胞中GSDMD表達(dá)水平增高，這為痛風(fēng)患者體內(nèi)存在焦亡的過度發(fā)生提供了證據(jù)。而進(jìn)一步體內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)，在敲除GSDMD，caspase-1或MLKL(細(xì)胞壞死的主要介質(zhì))相關(guān)基因的小鼠中，MSU晶體引起的細(xì)胞死亡并未發(fā)生明顯改變，體內(nèi)IL-1β的水平也無明顯下降，同時利用胞外高鉀抑制NLRP3炎性小體活化后，細(xì)胞死亡的發(fā)生也未受明顯影響，這些均提示MSU引起的細(xì)胞死亡是一種與凋亡、焦亡和壞死均不相同的細(xì)胞死亡方式[48]。然而Li等[49]則認(rèn)為焦亡在痛風(fēng)的發(fā)生中可起重要作用。嘌呤的鳥苷酸受體P2Y14R對NLRP3炎性小體起負(fù)向調(diào)控作用，在敲除P2Y14R相關(guān)基因的小鼠中可見NLRP3表達(dá)水平下降，MSU相關(guān)焦亡減少且痛風(fēng)癥狀緩解?？傊?，焦亡在痛風(fēng)發(fā)病中的作用尚存爭議，GSDMD能否成為治療痛風(fēng)的靶點仍需進(jìn)一步探究。

綜上，SAIDs與細(xì)胞焦亡之間存在密切聯(lián)系，二者相互作用、相互影響。雖然焦亡在多種SAIDs患者的外周血中均已被觀察到，且已有大量實驗證明SAIDs與細(xì)胞焦亡存在共同的上游信號通路及調(diào)節(jié)因素，但至今為止，僅有NOMID與FMF兩種動物模型通過體內(nèi)實驗確定了GSDMD及其介導(dǎo)的焦亡在SAIDs發(fā)病中的作用(表1)?？傊?，焦亡在SAIDs發(fā)病中可能起到一定的作用，但具體機(jī)制尚未完全明確，對于焦亡的進(jìn)一步研究有望為發(fā)現(xiàn)SAIDs治療的新靶點提供可能。

表1 焦亡在幾種SAIDs發(fā)病機(jī)制中的可能作用Table 1 Potential roles of pyroptosis in the pathogenesis of SAIDs