細(xì)胞焦亡的分子機(jī)制及其在腫瘤中的研究進(jìn)展

潘旭紅 李林俞 陳 鑫 周 璇 李紅玲

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅蘭州 730000；2.甘肅省人民醫(yī)院腫瘤內(nèi)科，甘肅蘭州 730000

細(xì)胞死亡是生命的最基本問題之一，在生物體的進(jìn)化、調(diào)節(jié)機(jī)體細(xì)胞增殖和分化平衡、維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中起著至關(guān)重要的作用。人們對(duì)細(xì)胞死亡的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)漫長的過程，隨著研究的不斷細(xì)化深入，細(xì)胞死亡形式基于不同劃分標(biāo)準(zhǔn)，也出現(xiàn)了多種不同的種類。目前，細(xì)胞死亡命名委員會(huì)（Nomenclature Committee on Cell Death，NCCD）提出，細(xì)胞死亡分為調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡（regulated cell death，RCD）和意外細(xì)胞死亡（accidental cell death，ACD），其中發(fā)生在生理?xiàng)l件下的RCD 亦可被稱作程序性細(xì)胞死亡（programmed cell death，PCD）[1]。RCD是一種具有獨(dú)特生物學(xué)特征且受基因控制的過程，凋亡、壞死性凋亡、焦亡等均屬于RCD。

近年來，在這些固有的細(xì)胞死亡形式中，細(xì)胞焦亡受到了更多的關(guān)注。細(xì)胞焦亡是PCD的一種新形式，由多種病理因素（如感染、惡性腫瘤等）觸發(fā)，Gasdermin家族蛋白介導(dǎo)使細(xì)胞膜通透性發(fā)生改變，細(xì)胞形成孔洞，細(xì)胞外的水分透過孔道進(jìn)入細(xì)胞，引起細(xì)胞腫脹破裂，釋放白細(xì)胞介素–1β（interleukin–1β，IL–1β）、白細(xì)胞介素–18（interleukin–18，IL–18）等炎癥因子，促進(jìn)炎性反應(yīng)[2]。隨著研究的深入，細(xì)胞焦亡與腫瘤的關(guān)系日益凸顯，因此理解細(xì)胞焦亡的特征、分子機(jī)制及其與腫瘤疾病的關(guān)系對(duì)于尋找靶向治療藥物提供了一定的新啟示。

1 細(xì)胞焦亡的分子機(jī)制

細(xì)胞焦亡于1992年首次由Zychlinsky等[3]發(fā)現(xiàn)，以區(qū)別于形態(tài)學(xué)上截然不同的細(xì)胞凋亡。1997年，Hilbi等[4]發(fā)現(xiàn)痢疾桿菌可以激活宿主細(xì)胞中的半胱天冬酶–1（cysteinyl aspartate specific proteinase–1，Caspase–1）。1999年，進(jìn)一步的研究表明，敲除Caspase–1可以阻斷沙門氏菌引起的細(xì)胞死亡[5]。2001年，Cookson等[6]率先提出了用“pyroptosis”來描述這種獨(dú)特的炎性程序性細(xì)胞死亡方式，“pyro”意為火，表示炎癥因子的釋放及一系列炎性反應(yīng)過程，“ptosis”指下降，表明細(xì)胞程序性死亡的本質(zhì)，“pyroptosis”即為細(xì)胞焦亡。根據(jù)NCCD的推薦定義[1]：細(xì)胞焦亡是由活化后的炎性半胱天冬酶（如Caspase–1/4/5/11）切割Gasdermin蛋白引起質(zhì)膜穿孔，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡的一種調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡形式。

1.1 依賴于Caspase–1的經(jīng)典焦亡途徑

Martinon等[7]在2002年提出炎性小體復(fù)合物是構(gòu)成天然免疫的重要組成部分，是觸發(fā)Caspase–1活化和IL–1β加工的分子平臺(tái)。在細(xì)胞焦亡的經(jīng)典路徑中，一方面，當(dāng)NOD樣受體（NOD–like receptor，NLR）等感知危險(xiǎn)跡象時(shí)便會(huì)引發(fā)炎性小體的組裝并激活，接下來Caspase–1的激活便是整個(gè)焦亡進(jìn)程的關(guān)鍵，同時(shí)還可促使IL–1β和IL–18的成熟與釋放[2]；另一方面，活化的Caspase–1可切割GSDMD，使之形成22 kda C端（GSDMD–C）和31 kda N端（GSDMD–N），接著GSDMD–N在細(xì)胞膜上寡聚化形成10～15nm[8]（另有報(bào)道21nm[9]）的非選擇性通道，離子和水分子等小分子可通過這個(gè)孔道進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)外滲透壓發(fā)生變化，細(xì)胞吹泡、腫脹、破裂，炎癥因子和溶酶體等細(xì)胞內(nèi)容物釋放到細(xì)胞外，從而誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡的發(fā)生。

1.2 非經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑

與經(jīng)典的焦亡途徑一樣，非經(jīng)典細(xì)胞焦亡通路的效應(yīng)蛋白也是GSDMD，不同的是，非經(jīng)典細(xì)胞焦亡通路是由Caspase–11（小鼠）和Caspase–4/5（人類）直接識(shí)別，結(jié)合革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁中的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）并激活自身的蛋白酶活性。活化后的Caspase–4/5/11直接將GSDMD切割成C段和N端片段，并由GSDMD–N寡聚化形成細(xì)胞膜孔隙。這種由Caspase–4/5/11–GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡被稱為非經(jīng)典細(xì)胞焦亡，是一個(gè)不依賴于Caspase–1的過程[10]。

1.3 其他Caspase誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡

Gasdermin蛋白家族中，除前面所述的GSDMD具有焦亡執(zhí)行蛋白的功能外，還有GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDME（DFNA5）等，均有C端和N端結(jié)構(gòu)域，且N端同樣具有質(zhì)膜打孔功能[11,12]。近年來，人們發(fā)現(xiàn)了依賴于Caspase–3/GSDME的細(xì)胞焦亡通路，某些化療藥物可誘導(dǎo)活化的Caspase–3切割下游的GSDME，形成GSDME–N端，識(shí)別并在細(xì)胞膜上打孔，導(dǎo)致細(xì)胞腫脹和破裂釋放炎癥因子而誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡[13,14]。此外，除了Caspase–3，在發(fā)生耶爾森菌感染時(shí)可通過YopJ途徑抑制轉(zhuǎn)化生長因子β活化激酶1（transforming growth factor–β activated kinase 1，TAK1）的表達(dá)激活Caspase–8，切割GSDMD和GSDME，從而誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡[15]。雖然Caspase–8和Caspase–1在同一位點(diǎn)切割GSDMD，但Caspase–8對(duì)GSDMD的處理能力遠(yuǎn)低于Caspase–1[16]。此外，Caspase–8對(duì)于Caspase–11介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡是必不可少的，二者都是驅(qū)動(dòng)LPS誘導(dǎo)小鼠死亡所必需的[17]。這些觀察表明，與Caspase–1和Caspase–11的切割不同，Caspase–8介導(dǎo)的Gasdermin蛋白切割是在特定條件下觀察到的，如TAK1失活或耶爾森菌感染。Caspase–8可能是炎性Caspase家族中的一個(gè)新成員，具有誘導(dǎo)凋亡和焦亡雙重功能。

2 焦亡在腫瘤治療中的意義

2.1 細(xì)胞焦亡與結(jié)直腸癌

結(jié)直腸癌（colorectal cancer，CRC）是最常見的惡性腫瘤之一，其發(fā)病率居癌癥死亡的第4位[18]。肝X受體（liver X receptors，LXR）屬于核受體家族，Derangère等[19]率先發(fā)現(xiàn)LXR激動(dòng)劑可通過激活LXRβ誘導(dǎo)炎性小體的組裝，以依賴于Caspase–1的經(jīng)典途徑誘導(dǎo)CRC焦亡。另外，LXR激動(dòng)劑可以促使LXRβ綁定到細(xì)胞膜上的孔隙半通道蛋白（pannexin–1）上，觸發(fā)pannexin–1的開放和細(xì)胞內(nèi)ATP的釋放，通過激活Caspase–1，誘發(fā)細(xì)胞焦亡。最近的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，洛鉑可提高活性氧（reactive oxygen species，ROS）和c–Jun氨基末端激酶（c–Jun N–terminal kinase，JNK）的磷酸化水平，將Bax蛋白募集到線粒體，促進(jìn)細(xì)胞色素C的釋放，誘導(dǎo)Caspase–3/ Caspase–9裂解，活化的Caspase–3進(jìn)一步切割GSDME，最終誘導(dǎo)CRC細(xì)胞發(fā)生焦亡[20]。GSDME依賴性焦亡是洛鉑清除結(jié)腸癌細(xì)胞的新機(jī)制，對(duì)臨床應(yīng)用抗癌藥物具有重要意義。

2.2 細(xì)胞焦亡與胃癌

研究證實(shí)，GSDMD在胃癌（gastric carcinoma，GC）細(xì)胞中較正常組織表達(dá)低，沉默GSDMD可顯著促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增生。GSDMD通過抑制胃癌細(xì)胞ERK、PI3K/AKT等信號(hào)通路而降低細(xì)胞周期蛋白cyclin A2和和周期蛋白依賴性激酶2（cyclin–dependent kinase 2，CDK2）的表達(dá)抑制細(xì)胞周期S/G2轉(zhuǎn)變，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞焦亡而發(fā)揮抗腫瘤作用[21,22]。Wang等[23]發(fā)現(xiàn)，化療藥物可通過激活GC細(xì)胞中的Caspase–3切割GSDME來觸發(fā)細(xì)胞焦亡，GSDME在細(xì)胞焦亡中的作用與GSDMD在孔隙形成中的作用相同。此外，GSDME可將5–氟尿嘧啶等化療藥物誘導(dǎo)GC細(xì)胞發(fā)生的Caspase–3依賴性凋亡轉(zhuǎn)變?yōu)榻雇鯷24]。上述研究證明了細(xì)胞焦亡與腫瘤發(fā)生、發(fā)展及治療密切相關(guān)。

2.3 細(xì)胞焦亡和食管癌

基于焦亡相關(guān)分子對(duì)消化道腫瘤的影響，一些藥物研究試圖通過干預(yù)細(xì)胞焦亡通路發(fā)揮抗癌效果。小劑量的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶（polo–like kinase 1，PLK1）抑制劑BI2536聯(lián)合順鉑（DDP）可通過激活食管鱗癌（esophageal squamous cell carcinoma，ESCC）細(xì)胞中凋亡相關(guān)蛋白Bax和Caspase–3使GSDME裂解及誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生焦亡，并使得ESCC細(xì)胞對(duì)DDP的敏感性升高，且GSDME高表達(dá)的患者對(duì)PLK1抑制劑和DDP聯(lián)合治療更敏感，其抗腫瘤作用更好[25]，推測(cè)GSDME高表達(dá)的腫瘤細(xì)胞在內(nèi)源性或外源性應(yīng)激下更容易發(fā)生焦亡，提示GSDME可作為ESCC良好的治療靶點(diǎn)和預(yù)后指標(biāo)。這一發(fā)現(xiàn)可能為未來ESCC的個(gè)性化、精確化醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供一個(gè)有前途的方向。

2.4 細(xì)胞焦亡和肺癌

Gao等[26]研究發(fā)現(xiàn)，GSDMD的高表達(dá)與腫瘤大小、侵襲性特征、TNM分期呈正相關(guān)，是肺腺癌（lung adenocarcinoma，LUAD）的獨(dú)立預(yù)后生物標(biāo)志物。與癌旁組織相比，非小細(xì)胞肺癌（non–small cell lung cancer，NSCLC）組織中GSDMD蛋白水平顯著上調(diào)，GSDMD基因敲除可通過內(nèi)源性線粒體凋亡途徑和EGFR/Akt信號(hào)通路抑制腫瘤細(xì)胞增殖。此外，Wang等[27]證實(shí)辛伐他汀可通過NLRP3– Caspase–1–IL–1β/IL–18通路誘導(dǎo)A549、H1299肺癌細(xì)胞焦亡，在異種移植小鼠模型中進(jìn)行驗(yàn)證后提示辛伐他汀有可能成為臨床治療NSCLC的藥物，且不會(huì)對(duì)正常肺細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用。

2.5 細(xì)胞焦亡和乳腺癌

GSDMB在人表皮生長因子受體2（human epidermal growth factor receptor 2，HER2）陽性的乳腺癌（breast cancer，BC）患者中呈較高水平，其高表達(dá)與低生存率和高轉(zhuǎn)移率相關(guān)，預(yù)示著對(duì)HER2靶向治療的低反應(yīng)性[28]。因此，GSDMB有可能成為BC的一個(gè)新標(biāo)志物，并參與預(yù)后的評(píng)估。二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）是一種omega–3脂肪酸，Pizato等[29]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)DHA處理的BC細(xì)胞，Caspase–1和GSDMD活性增加，細(xì)胞膜形成孔徑，IL–1β分泌增加，最終可誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生焦亡，證實(shí)了DHA的抗癌作用及其機(jī)制。同樣，三氯苯達(dá)唑通過Caspase–3/GSDME途徑誘導(dǎo)MCF–7和MDAMB–231細(xì)胞發(fā)生焦亡，且在異種移植模型中，三氯苯達(dá)唑通過促進(jìn)Caspase–3和GSDME的切割顯著減小了腫瘤體積，這表明誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡的發(fā)生可能是抗癌治療的新靶點(diǎn)[30]。此外，Wang等[31]發(fā)現(xiàn)，僅需要不到15%的腫瘤細(xì)胞焦亡就足以清除整個(gè)4T1乳腺腫瘤移植物，腫瘤消退的程度與增強(qiáng)的抗腫瘤免疫反應(yīng)有關(guān)，其在免疫缺陷小鼠或T細(xì)胞耗盡時(shí)不存在，說明炎性小體激活和焦亡的精確調(diào)控可能為提高免疫治療的療效提供很好的機(jī)會(huì)。

2.6 細(xì)胞焦亡和血液腫瘤

絲氨酸二肽酶DPP8/DPP9是二肽基肽酶4（dipeptidyl peptidase–4，DPP–4）家族中的兩個(gè)相對(duì)較新的成員，Johnson等[32]發(fā)現(xiàn)，DPP8/DPP9抑制劑在引起急性髓系白血?。╝cute myelocytic leukemia，AML）細(xì)胞焦亡的同時(shí)，還能抑制AML患者來源的異種移植瘤小鼠的生長。這些結(jié)果突出了這種小分子DPP8/DPP9抑制劑在治療AML方面的潛在價(jià)值。

骨髓增生異常綜合征（myelodysplastic syndrome，MDS）是以骨髓細(xì)胞異常增生和無效造血為特征的造血干細(xì)胞惡性腫瘤。近期研究表明，造血干/祖細(xì)胞中NLRP3–炎性小體誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡是MDS無效造血的致病驅(qū)動(dòng)因素，在低危MDS中有針對(duì)性地抑制這一途徑中的不同步驟，可以恢復(fù)有效造血[33]。這為MDS的治療帶來新的希望。

3 細(xì)胞焦亡與放化療不良反應(yīng)

最新研究已經(jīng)證實(shí)，在高表達(dá)GSDME的腫瘤細(xì)胞種系中，多種化療藥物可通過Caspase–3/ GSDME介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡途徑誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡。Wang等[23]研究證實(shí)GSDME基因由于啟動(dòng)子甲基化，導(dǎo)致其在大多數(shù)腫瘤細(xì)胞種系中呈低表達(dá)，在正常細(xì)胞種系中廣泛高表達(dá)；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，人原代細(xì)胞在化療藥物激活Caspase–3后表現(xiàn)出GSDME依賴性細(xì)胞焦亡；在體內(nèi)試驗(yàn)中，相對(duì)于野生鼠，GSDME敲除鼠在結(jié)核菌素試驗(yàn)或博來霉素作用下引發(fā)的肺損傷、炎性反應(yīng)以及體質(zhì)量下降均明顯減輕，說明GSDME介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡與化療引起的不良反應(yīng)密切相關(guān)，化療藥物在抗腫瘤的同時(shí)也能誘導(dǎo)高表達(dá)GSDME的正常細(xì)胞發(fā)生焦亡，這可能是化療產(chǎn)生不良反應(yīng)的機(jī)制之一。

除此以外，細(xì)胞焦亡還與放射治療的不良反應(yīng)相關(guān)。Hu等[34]研究發(fā)現(xiàn)，黑色素瘤缺乏因子2（absent in melanoma 2，AIM2）在感知電離輻射誘導(dǎo)的細(xì)胞核DNA損傷方面發(fā)揮了意想不到的作用。AIM2通過炎性小體途徑在腸上皮細(xì)胞和骨髓細(xì)胞中觸發(fā)Caspase–1介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡，而AIM2的缺失可以使小鼠免受輻射誘導(dǎo)的小腸綜合征和造血衰竭的影響，這表明阻斷AIM2炎性小體活性的藥物可有效地減輕放射治療不良反應(yīng)。另有研究表明，氧化應(yīng)激、生物能量損傷以及NLRP3炎性小體的激活均參與了放射性腸損傷，鞭毛蛋白可在腸上皮細(xì)胞中抑制輻射誘導(dǎo)的ROS生成，降低NLRP3活性，減少Caspase–1依賴性焦亡的發(fā)生，可能成為治療腫瘤患者放射性腸道損傷的一種潛在的預(yù)防性治療方法[35]。

4 小結(jié)與展望

細(xì)胞焦亡是一種新型的程序性細(xì)胞死亡，近年來在各種疾病中得到了廣泛的研究，利用這一途徑調(diào)節(jié)組織發(fā)育和動(dòng)態(tài)平衡的研究也得到了重視。細(xì)胞焦亡相關(guān)因子具有促進(jìn)或抑制腫瘤發(fā)生的雙重機(jī)制，可通過多種細(xì)胞信號(hào)通路調(diào)節(jié)細(xì)胞形態(tài)、增生、浸潤、遷移和化療耐受性等惡性表型從而影響腫瘤的進(jìn)展，并且可能與患者的預(yù)后有關(guān)。同時(shí)，細(xì)胞焦亡還與化學(xué)藥物治療、耐藥性及放射治療的不良反應(yīng)相關(guān)。因此，還需更多的研究來進(jìn)一步探討不同腫瘤細(xì)胞的焦亡機(jī)制，了解細(xì)胞焦亡的腫瘤特異性調(diào)控機(jī)制及信號(hào)通路上下游相關(guān)蛋白，可以為腫瘤的診斷和治療提供新思路。