細(xì)胞焦亡及其相關(guān)疾病研究進(jìn)展

于雯龍，苑慶欣，于春龍，于洪博

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319)

細(xì)胞的死亡方式具有著程序性和非程序性的區(qū)別，其中程序性細(xì)胞死亡包括細(xì)胞凋亡和細(xì)胞焦亡等。凋亡是機(jī)體生理性的主動(dòng)自發(fā)的一種程序性的細(xì)胞死亡方式，而細(xì)胞焦亡與細(xì)胞凋亡存在部分相似性的同時(shí)又有區(qū)別于細(xì)胞凋亡。細(xì)胞焦亡與細(xì)胞凋亡在形態(tài)學(xué)和病理生理學(xué)等層面上具有很大不同，比如細(xì)胞凋亡常伴隨著細(xì)胞核結(jié)構(gòu)的變化，可形成凋亡小體，細(xì)胞凋亡不會(huì)將細(xì)胞內(nèi)部的內(nèi)容物釋放到細(xì)胞外，可以起到抑制炎癥的作用；而細(xì)胞焦亡具有快速的質(zhì)膜破裂，釋放出細(xì)胞內(nèi)容物以及促炎介質(zhì)，這些物質(zhì)能夠?qū)C(jī)體的免疫應(yīng)答反應(yīng)產(chǎn)生影響。細(xì)胞焦亡作為近年來新提出的一種程序性細(xì)胞死亡方式，與機(jī)體多種疾病的發(fā)生具有密不可分的聯(lián)系，本文主要從細(xì)胞焦亡概念的提出、細(xì)胞焦亡的形態(tài)學(xué)特征和分子機(jī)制以及細(xì)胞焦亡與疾病的關(guān)系等方面對細(xì)胞焦亡這一細(xì)胞程序性死亡方式進(jìn)行綜述。

1 細(xì)胞焦亡概念的提出

1.1細(xì)胞焦亡的發(fā)現(xiàn) 1992年，細(xì)胞焦亡這一現(xiàn)象在感染了福氏志賀菌的巨噬細(xì)胞中首次被發(fā)現(xiàn)，在此之后又有研究發(fā)現(xiàn)在感染了傷寒沙門氏菌的巨噬細(xì)胞中也有類似現(xiàn)象的發(fā)生。最初這種細(xì)胞死亡方式被人們認(rèn)為是細(xì)胞凋亡，直到2001年，Cookson等[1]研究表明，這種細(xì)胞死亡方式具有半胱氨酸蛋白酶1(Caspase-1)活性依賴性，不同于具有Caspase-3活性依賴性的細(xì)胞凋亡，Cookson等首次將這一細(xì)胞死亡形式定義為具有Caspase-1依賴性的細(xì)胞死亡形式。

1.2細(xì)胞焦亡的命名 細(xì)胞焦亡(pyroptosis)這一概念在2001年首次被提出，這一單詞來源于古希臘語，在古希臘語中“pyro”指火或者發(fā)熱，“ptosis”指下落，由此體現(xiàn)出細(xì)胞焦亡這一細(xì)胞死亡方式具有炎癥性質(zhì)。在2015年對于炎癥性介質(zhì)caspase的激活引起細(xì)胞凋亡的問題得到了初步解答，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)GSDMD是炎癥性caspase的底物，其裂解后通過在細(xì)胞膜上形成小孔引起細(xì)胞焦亡。

2 細(xì)胞焦亡的形態(tài)學(xué)特征和分子機(jī)制

2.1細(xì)胞焦亡的形態(tài)學(xué)特征 細(xì)胞焦亡在形態(tài)學(xué)上具有細(xì)胞凋亡和細(xì)胞壞死的部分形態(tài)學(xué)特征的同時(shí)也與細(xì)胞凋亡和細(xì)胞壞死在形態(tài)學(xué)上有著許多區(qū)別。細(xì)胞焦亡時(shí)質(zhì)膜完整性喪失，細(xì)胞內(nèi)容物釋放到細(xì)胞外環(huán)境中，這與細(xì)胞壞死的特征具有一定的相似性，但與細(xì)胞凋亡時(shí)的細(xì)胞質(zhì)膜完整性有著明顯區(qū)別。

機(jī)體細(xì)胞發(fā)生焦亡時(shí)，細(xì)胞迅速膨脹，細(xì)胞質(zhì)膜出現(xiàn)破裂，形成直徑在1 nm-2 nm之間的小孔[2]，細(xì)胞膜的通透性增加，鉀離子外流、鈉離子內(nèi)流，細(xì)胞膜的離子梯度消失，細(xì)胞膜失去控制細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)進(jìn)出的能力，導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生滲透性腫脹，胞內(nèi)物質(zhì)流出，細(xì)胞核逐漸變圓的同時(shí)出現(xiàn)核濃縮的現(xiàn)象。

染色體DNA發(fā)生降解，這一過程由一種核苷酸內(nèi)切酶所介導(dǎo)，細(xì)胞焦亡過程中的細(xì)胞質(zhì)膜破裂以及染色質(zhì)DNA降解均受到caspase-1激活的影響[3]。

2.2細(xì)胞焦亡的分子機(jī)制 細(xì)胞焦亡的激活途徑通常部分為經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑以及非經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑，經(jīng)典細(xì)胞焦亡主要由炎癥小體激活Caspase-1，而非經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑則由胞質(zhì)脂多糖(lipopolysacharide，LPS)激活。

經(jīng)典細(xì)胞焦亡與多種半胱氨酸蛋白酶有關(guān)，其中caspase-1和caspase-11對于細(xì)胞焦亡具有主要的介導(dǎo)作用[4]。炎癥小體受到來自不同途徑的內(nèi)源性和外源性的刺激信號激活caspase-1，引起細(xì)胞膜小孔的形成，細(xì)胞發(fā)生滲透性腫脹，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞破裂，胞內(nèi)物質(zhì)流出，炎性小體作用于下游分子，進(jìn)而誘導(dǎo)IL-1β、IL-18、IL-6等炎癥細(xì)胞因子以及其他黏附分子和炎性因子的合成與釋放過程，并且激活更多的炎癥細(xì)胞，從而放大局部和全身的炎癥反應(yīng)，這也是細(xì)胞焦亡過程發(fā)生的主要機(jī)制。

非經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑是一種非依賴Caspase-1的細(xì)胞焦亡途徑，Caspase-4、Caspase-5、Caspase-11具有著激活非經(jīng)典焦亡途徑的作用，Caspase-4、Caspase-5在受到胞質(zhì)內(nèi)LPS的刺激后可與其保守結(jié)構(gòu)脂質(zhì)A直接結(jié)合并被激活[5]，活化后的Caspase-4、Caspase-5、Caspase-11切割GSDMD蛋白[6]，促進(jìn)細(xì)胞焦亡的發(fā)生。Pannexin-1作為細(xì)胞膜上具有控制小分子物質(zhì)進(jìn)出的通道蛋白，在非經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑過程中具有著重要的作用，Caspase-11激活后能夠?qū)е翽annexin-1蛋白斷裂形成通路，將細(xì)胞內(nèi)的ATP釋放到細(xì)胞外，而在P2X7受體受到ATP的長期刺激后，P2X7通道開放，使大量離子如K+、Na+等外流，進(jìn)而打破細(xì)胞膜內(nèi)外的離子平衡狀態(tài)，使細(xì)胞發(fā)生滲透性腫脹，細(xì)胞膜破裂，最終細(xì)胞死亡[7]。

3 細(xì)胞焦亡與相關(guān)疾病

3.1細(xì)胞焦亡與心血管疾病 細(xì)胞焦亡對于心血管系統(tǒng)的疾病造成的影響多見于冠狀動(dòng)脈粥樣硬化，在冠狀動(dòng)脈粥樣硬化患者主動(dòng)脈的炎性小體表達(dá)明顯高于正常水平[8]，與其相關(guān)的下游分子在冠狀動(dòng)脈粥樣硬化斑塊中的表達(dá)也明顯高于非冠狀動(dòng)脈粥樣硬化的血管，經(jīng)研究表明，1，25-二烴基維生素D3能夠有效抑制心肌細(xì)胞焦亡信號通路，從而達(dá)到阻止心肌細(xì)胞死亡的目的，在經(jīng)過1，25-二烴基維生素D3的治療后，病情普遍得到改善。而在高血糖環(huán)境下miRNA-9可作用于蛋白ELAVL1，進(jìn)而抑制caspase-1以及IL-1β在心肌細(xì)胞中的表達(dá)，阻止高血糖誘導(dǎo)下的心肌細(xì)胞焦亡，這一研究成果也有助于糖尿病心肌病的治療，此外NLRP3炎性小體基因也與caspase-1以及IL-1β在心肌細(xì)胞中的表達(dá)有關(guān)[9]，因此表明NLRP3可能也與糖尿病心肌病的發(fā)生有關(guān)。NLRP3炎性小體還可通過參與無菌炎癥反應(yīng)的信號誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡進(jìn)而引發(fā)心肌梗塞，因此抑制NLRP3的激活對于改善心臟功能以及心室重構(gòu)有著重要作用。此外還有多重細(xì)胞焦亡經(jīng)過各種途徑參與多種心血管疾病的發(fā)生。

3.2細(xì)胞焦亡與感染性疾病 細(xì)胞焦亡最早被發(fā)現(xiàn)于被細(xì)菌感染的巨噬細(xì)胞中的促炎程序性細(xì)胞死亡方式，可見細(xì)胞焦亡與感染性疾病有著密不可分的關(guān)系，在李斯特桿菌、沙門桿菌、志賀桿菌等細(xì)菌感染類疾病中，均有細(xì)胞焦亡的產(chǎn)生，炎性小體介導(dǎo)caspase-1激活，進(jìn)而清除機(jī)體的病原微生物，這也是機(jī)體清除病原微生物的有效免疫機(jī)制之一。在研究中發(fā)現(xiàn)沙門桿菌在腸系膜淋巴結(jié)誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡，通過介導(dǎo)炎性因子的釋放起到激活機(jī)體免疫機(jī)制的作用，進(jìn)而清除機(jī)體內(nèi)感染的細(xì)胞，以此來達(dá)到阻止病原體擴(kuò)散的目的。有研究表明，在免疫缺陷病毒1型感染過程中，大多數(shù)CD4+T細(xì)胞是以細(xì)胞焦亡的形式死亡的，同時(shí)機(jī)體內(nèi)caspase-1表達(dá)增加，IL-1β、IL-18的分泌增加，在caspase-1抑制劑的處理下，組織由免疫缺陷病毒1型誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡，未來細(xì)胞焦亡可能作為機(jī)體感染性疾病研究的新方向。

3.3細(xì)胞焦亡與神經(jīng)系統(tǒng)疾病 細(xì)胞焦亡產(chǎn)生的炎癥反應(yīng)與許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生和發(fā)展有著緊密的聯(lián)系，NLRP3是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最豐富的炎性小體，也是許多的神經(jīng)系統(tǒng)疾病的主要參與者之一[10]。在研究中發(fā)現(xiàn)，癲癇、腦缺血性疾病、中樞系統(tǒng)感染等許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病都與caspase-1有關(guān)，這些疾病存在著IL-1β和IL-18表達(dá)水平的增加等多種細(xì)胞焦亡的典型反應(yīng)，而caspase-1抑制劑有助于一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療，具有caspase-1依賴性的經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑對于神經(jīng)系統(tǒng)疾病具有重要影響，對于細(xì)胞焦亡的研究未來可能會(huì)對神經(jīng)系統(tǒng)的相關(guān)疾病治療具有重要意義。

4 結(jié)語

細(xì)胞焦亡作為近年來剛提出的一種程序性細(xì)胞死亡方式，不僅在形態(tài)學(xué)和分子機(jī)制方面有著重要的研究價(jià)值，細(xì)胞焦亡在許多疾病的發(fā)生和發(fā)展過程中也扮演著相當(dāng)重要的角色。因此，了解細(xì)胞焦亡的發(fā)生以及調(diào)控機(jī)制，對于掌握一些疾病的治療和預(yù)防措施具有重要意義，對于細(xì)胞焦亡的進(jìn)一步研究可能為疾病防治提供一個(gè)新的方向。