譚駿嵐,殷淑婷,易 健,3,李 霞,覃 麗,4,戴愛國,3*
(1.湖南中醫(yī)藥大學(xué),湖南 長沙 410208;2.血管生物學(xué)與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)湖南省高校重點實驗室,湖南 長沙 410208;3.湖南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院呼吸科,湖南 長沙 410007;4.湖南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院,湖南 長沙 410208)
在生物體的生長和發(fā)育過程中,細胞死亡對于維持機體穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。細胞死亡可分為兩種類型:意外的細胞死亡和程序性細胞死亡(programmed cell death, PCD)。 細胞焦亡是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新的PCD 形式,其特征是細胞質(zhì)膜孔形成、細胞水腫、膜破裂和炎癥因子的釋放,常見于嚴重感染后,也可發(fā)生在眾多慢性疾病中[1]。
細胞焦亡(pyroptosis)一詞源于希臘語中的“pyro”(發(fā)熱)和“ptosis”(下降)[2],是一種不同于細胞凋亡和壞死性凋亡并受Gasdermin(GSDM)家族調(diào)控的炎癥性PCD,其主要特征是膜穿孔、細胞腫脹及細胞破裂[3]。 既往研究發(fā)現(xiàn),Gasdermin D(GSDMD)是導(dǎo)致細胞焦亡的關(guān)鍵分子,其可被多種活化的天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶(cysteine-containing aspartate specific proteinase, Caspase) 特異性切割形成具有成孔活性的N 端結(jié)構(gòu)域。近年來,在細胞焦亡的研究領(lǐng)域取得了新的突破,揭示GSDM 家族的另一成員Gasdermin E(GSDME)引起焦亡的新機制。GSDME 主要通過被Caspase-3 的切割作用獲得成孔活性,參與多種慢性疾病的發(fā)生發(fā)展。 此外,通過藥物靶向調(diào)控Caspase-3/GSDME 介導(dǎo)的細胞焦亡途徑已在多種疾病模型中展現(xiàn)出較大的治療潛力,未來有望臨床轉(zhuǎn)化。本文旨在總結(jié)GSDME 介導(dǎo)的焦亡分子機制及其在非腫瘤疾病中的應(yīng)用研究進展,為臨床慢性疾病的防治提供新策略。
GSDM 基因家族成員主要包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、GSDME 和DFNB59,獨特的N 端結(jié)構(gòu)域是該家族介導(dǎo)細胞焦亡發(fā)生的關(guān)鍵[4]。
2015 年,Nature 雜志發(fā)表的研究論文揭示GSDMD 為執(zhí)行細胞焦亡的“劊子手”[5-6]。 此時,細胞焦亡發(fā)生途徑分為依賴Caspase-1 的經(jīng)典途徑和依賴Caspase-4/5/11 的非經(jīng)典途徑。 (1)依賴Caspase-1的經(jīng)典途徑:在損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular patterns, DAMPs)刺激下,炎癥小體(主要是NLRP3) 激活促進Caspase-1 的活化并對GSDMD 進行切割,產(chǎn)生N-GSDMD 片段,導(dǎo)致細胞膜孔形成,引起細胞破裂死亡及細胞內(nèi)容物如乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase, LDH)、炎癥因子白介素1β(interleukin 1β, IL-1β)和白介素18(interleukin 18, IL-18)釋放,發(fā)揮促炎效應(yīng);(2)依賴Caspase-4/5/11 的非經(jīng)典途徑: 該途徑不需要炎癥小體的活化,可由脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)直接激活Caspase-4/5/11 介導(dǎo)GSDMD 的切割,從而導(dǎo)致細胞焦亡的發(fā)生。
GSDME,又稱為耳聾常染色體顯性遺傳5(deafness autosomal dominant 5, DFNA5),于1998 年被首次研究發(fā)現(xiàn)[7]。 GSDME 的表達具有組織及細胞特異性。在小鼠中,GSDME 在耳蝸、胸腺、結(jié)腸、肺、腦、脾臟和小腸中表達,但在乳房、胃系統(tǒng)中不表達[8]。2017 年,ROGERS 等[9]和WANG 等[10]發(fā)現(xiàn)Caspase-3可特異性切割GSDME,從而介導(dǎo)細胞焦亡的發(fā)生,拉開了GSDME 介導(dǎo)細胞焦亡在疾病發(fā)生發(fā)展過程中作用機制研究的帷幕。 此外,在GSDME 介導(dǎo)的焦亡途徑中,死亡受體或線粒體通路激活Caspase-3并將GSDME 切割為N-GSDME,引起細胞膜穿孔和細胞焦亡。 此外,N-GSDME 的產(chǎn)生引起細胞膜的滲透性增加,導(dǎo)致細胞色素C 的釋放和Caspase-3介導(dǎo)的細胞凋亡,形成一個正反饋回路[11]。
目前,GSDME 介導(dǎo)的細胞焦亡在腫瘤中的相關(guān)研究已較為深入[12],近年來,其在非腫瘤疾病中的研究也已全面鋪開并取得了一定成果。
2.1.1 細菌感染 肺炎鏈球菌性肺炎是最常見的細菌性肺炎,常可引發(fā)機體強烈的炎癥反應(yīng)。一般的抗感染及對癥支持治療通常可緩解疾病,但感染未得到有效控制會造成膿毒血癥,危及患者的生命。研究發(fā)現(xiàn),在肺炎鏈球菌肺炎小鼠模型及體外經(jīng)肺炎鏈球菌感染的肺泡巨噬細胞中,GSDMD 及GSDME 介導(dǎo)的細胞焦亡均被明顯激活,而IL-6 可通過抑制GSDME 和GSDMD 介導(dǎo)的細胞焦亡來預(yù)防肺巨噬細胞消耗和肺損傷[13]。
2.1.2 病毒感染 2013 年,H7N9 病毒造成1568 人感染,其中616 人死亡,大多數(shù)H7N9 患者出現(xiàn)嚴重肺炎和急性呼吸窘迫綜合征[14]。WAN 等[15]研究發(fā)現(xiàn),H7N9 病毒可以在富含GSDME 的肺泡上皮細胞中激活Caspase-3 介導(dǎo)的細胞凋亡,并將其轉(zhuǎn)換為細胞焦亡。 相比野生型(wild type, WT)H7N9 病毒感染的小鼠,Gsdme-/-小鼠血清腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor alpha, TNF-α)等炎癥因子水平明顯下降, 且肺部損傷明顯減輕[15]。 腸道病毒71(en terovirus 71, EV71)是引起5 歲以下兒童手足口病的主要病原體,并且會導(dǎo)致一些患者產(chǎn)生嚴重的神經(jīng)系統(tǒng)癥狀[16]。 DONG 等[17]研究發(fā)現(xiàn),EV71 能誘導(dǎo)HeLa 和SK-N-SH 細胞發(fā)生Caspase-3/GSDME 介導(dǎo)的細胞焦亡。 在體內(nèi)研究中發(fā)現(xiàn),相比較WT 小鼠,Gsdme-/-小鼠在EV71 感染期間出現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)表現(xiàn)的時間更晚且存活時間更長[17]。 ORZALLI 等[18]研究發(fā)現(xiàn),單純皰疹病毒1(herpes simplex virus 1, HSV-1) 和水泡性口炎病毒 (vesicular stomatitis virus,VSV) 感染可引起B(yǎng) 細胞淋巴瘤2 (B cell lymphoma-2, Bcl-2) 家族成員髓細胞白血病1(myeloid cell leukemia 1, MCL-1)耗竭和Bcl-xL 失活,造成線粒體損傷, 并誘導(dǎo)人類角質(zhì)形成細胞Caspase-3/GSDME 依賴性焦亡。
2.2.1 類風濕關(guān)節(jié)炎 類風濕關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis, RA)是一種自身免疫性疾病,其特征是持續(xù)性滑膜炎、全身性炎癥、軟骨損傷和骨侵蝕,最終導(dǎo)致殘疾和生活質(zhì)量下降[19]。 滑膜中成纖維細胞樣滑膜細胞(fibroblast-like synovial cells, FLSs)的異常激活是滑膜炎癥和關(guān)節(jié)損傷的初始事件,可顯著加重RA 的進展[20]。 在LPS 刺激的滑膜成纖維細胞RSC-364 細胞所構(gòu)建的滑膜炎細胞模型中,YANG 等[21]研究 發(fā) 現(xiàn),LPS 可 通 過NLRP3/Caspase-1/GSDMD 和Caspase-3/GSDME 兩條信號通路誘導(dǎo)滑膜成纖維細胞的焦亡。 在體外原代培養(yǎng)RA 患者滑膜成纖維細胞中,同樣發(fā)現(xiàn)GSDME-N 的高表達,而使用siRNA敲低GSDME 后可顯著抑制TNF-α+缺氧誘導(dǎo)的RA-FLSs 焦亡,并抑制RA-FLSs 的增殖、遷移及侵襲[22]。研究發(fā)現(xiàn),相比較骨關(guān)節(jié)炎患者,RA 患者滑膜組織中活化的Caspase-3 及GSDME-N 表達明顯升高,并且GSDME-N 的表達與RA 疾病活動呈正相關(guān)[23]。進一步體外研究發(fā)現(xiàn),RA 滑膜巨噬細胞和循環(huán)單核細胞顯示出活化的Caspase-3 和GSDME 的高表達,并且TNF 可誘導(dǎo)Caspase-3/GSDME 介導(dǎo)的細胞焦亡。 在一項體內(nèi)研究中發(fā)現(xiàn),相比較野生型膠原誘導(dǎo)性關(guān)節(jié)炎(collagen-induced arthritis, CIA)小鼠,患有CIA 的Gsdme-/-小鼠關(guān)節(jié)炎的發(fā)病率降低且滑膜炎明顯減輕[23]。 因此,GSDME 介導(dǎo)的細胞焦亡與RA 的發(fā)病機制密切相關(guān),靶向GSDME 可能是RA的潛在治療方法。
2.2.2 炎性腸病 炎性腸?。╥nflammatory bowel disease, IBD)主要包括克羅恩?。–rohn's disease,CD)和潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis, UC),是胃腸道異常炎癥性疾病,與機體免疫系統(tǒng)失衡密切相關(guān)[24]。 腸道黏膜異常和過度炎癥反應(yīng)是IBD 的特征性病理改變,也是其病情遷延不愈的重要因素。細胞焦亡促進炎癥,因而在IBD 中發(fā)揮重要作用。 臨床研究發(fā)現(xiàn),患者血清中CD147 高表達,并通過激活核轉(zhuǎn)錄因子-κB(nuclear factor kappa B, NF-κB)促進GSDMD 和GSDME 介導(dǎo)的細胞焦亡,從而導(dǎo)致促炎因子IL-1β 和IL-18 的分泌明顯增加,加重炎癥損傷[25]。研究發(fā)現(xiàn),與健康人群相比,CD 患者結(jié)腸黏膜中GSDME 的表達明顯升高,并且處于活動期的CD 患者結(jié)腸黏膜中有著更高水平的GSDMENT,并伴有Caspase-8 和Caspase-3 的激活[26]。 與此一致,在2,4,6-三硝基苯磺酸(2,4,6-trinitrobenzenesulfonic acid, TNBS)誘導(dǎo)的結(jié)腸炎模型中,Gsdme-/-小鼠相比WT 小鼠的結(jié)腸黏膜炎癥明顯減輕。從機制上來說,TNBS 可誘導(dǎo)腸上皮細胞發(fā)生Caspase-8/Caspase-3/GSDME 依賴性焦亡,導(dǎo)致促炎因子如(IL-1β、TNF-α 等)分泌增加,從而加重腸道黏膜炎癥[26]。
2.3.1 糖尿病腎病 糖尿病腎?。╠iabetic nephropathy, DN)是糖尿病最為常見的并發(fā)癥,其中過度的炎癥反應(yīng)及氧化應(yīng)激等是DN 的主要病理特征[27]。高葡萄糖條件下能誘導(dǎo)腎小球內(nèi)皮細胞和足細胞、腎小管上皮細胞、腎小球系膜細胞發(fā)生焦亡,從而導(dǎo)致這些維持腎臟正常功能的細胞發(fā)生炎性損傷和變性,促進DN 的發(fā)生發(fā)展[28]。 近年來,GSDME 介導(dǎo)的細胞焦亡在DN 的發(fā)病中發(fā)揮了重要作用。 Z-DEVD-FMK 是一種Caspase-3 抑制劑,WEN 等[29]研究發(fā)現(xiàn),Z-DEVD-FMK 可通過調(diào)節(jié)GSDME 的切割,從而改善糖尿病小鼠的蛋白尿、腎功能、腎小管間質(zhì)纖維化。 在體外使用高葡萄糖條件培養(yǎng)的HK-2 細胞中發(fā)現(xiàn),LDH 的釋放、GSDME 和GSDME-N 蛋白表達明顯升高。 反之,使用shRNA 質(zhì)粒載體敲除GSDME 可明顯減輕高糖誘導(dǎo)的HK-2 焦亡,并抑制膠原蛋白1 和纖連蛋白的表達[29]。 因此,靶向GSDME 介導(dǎo)的細胞焦亡可為臨床DN 的治療提供新思路。
2.3.2 急性腎損傷 急性腎損傷(acute kidney injury, AKI)是一種常見的臨床并發(fā)癥,其特點是腎功能迅速下降。 AKI 是化療藥物的主要毒副作用。SHEN 等[30]研究發(fā)現(xiàn),化療藥物(順鉑或多柔比星)通過ROS/JNK/Caspase/GSDME 信號通路誘導(dǎo)腎小管上皮細胞焦亡。 他們還探究了GSDME 在接受順鉑治療的小鼠腎細胞焦亡和順鉑誘導(dǎo)的AKI 發(fā)病機制中的作用,結(jié)果表明,Gsdme-/-小鼠的腎損傷及炎癥明顯減輕[30]。 研究發(fā)現(xiàn),Caspase-3 的抑制阻止了GSDME 裂解為N-GSDME,改善了順鉑誘導(dǎo)的細胞焦亡和腎功能障礙[31]。 因此,針對GSDME 信號傳導(dǎo)的治療可能會減少藥物誘導(dǎo)的腎毒性。
2.3.3 腎纖維化 腎纖維化由腎小管細胞死亡和炎癥驅(qū)動,可導(dǎo)致各種慢性腎臟疾?。╟hronic kidney disease, CKD)中的腎功能障礙。 CHUNG 等[32]研究證實,在單側(cè)輸尿管梗阻(unilateral ureteral ligation,UUO)小鼠模型中,細胞焦亡促進腎間質(zhì)纖維化。 這種參與可能與炎癥有關(guān),但機制仍然未知。LI 等[33]研究發(fā)現(xiàn)TNF-α/Caspase-3/GSDME 介導(dǎo)的細胞焦亡是導(dǎo)致輸尿管梗阻后引起繼發(fā)腎纖維化、炎癥及腎積水的關(guān)鍵。而抑制Caspase-3 或GSDME 可顯著減輕UUO 小鼠的腎纖維化及腎小管損傷[33]。 WU 等[34]同樣發(fā)現(xiàn),GSDME 的激活介導(dǎo)的細胞焦亡可能通過促進CKD 中的炎癥反應(yīng)來加重腎纖維化和腎功能障礙。
GSDME 介導(dǎo)的細胞焦亡在心血管疾病的發(fā)生發(fā)展中同樣發(fā)揮重要作用。 組蛋白脫乙酰酶11(histone deacetylase 11, HDAC11)在高脂飲食誘導(dǎo)的ApoE-/-動脈粥樣硬化小鼠的主動脈中高表達[35],并廣泛參與炎癥。YAO 等[36]研究發(fā)現(xiàn),HDAC11 可能通過調(diào)節(jié)ERG 乙?;せ頝LRP3/Caspase-1/GSDMD 和Caspase-3/GSDME 信號通路來介導(dǎo)人臍靜脈血管內(nèi)皮細胞焦亡,從而促進動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展。 心臟毒性是化療藥物多柔比星的主要毒副作用,ZHENG 等[37]研究發(fā)現(xiàn),多柔比星可通過Bnip3/Caspase-3/GSDME 途徑誘導(dǎo)心肌細胞焦亡。
作為Caspase-3/GSDME 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵執(zhí)行者,Caspase-3 在GSDME 介導(dǎo)的細胞焦亡中發(fā)揮重要作用。 目前,已經(jīng)開發(fā)了幾種Caspase-3 抑制劑,在多種非腫瘤疾病模型中展現(xiàn)出較好的治療效果。Z-DEVD-FMK 是一種Caspase-3 抑制劑,通過抑制Caspase-3 介導(dǎo)的GSDME 切割從而對細胞焦亡產(chǎn)生抑制作用,并在腎纖維化及糖尿病腎病中展現(xiàn)出良好的治療效果[29,34]。 但也有研究發(fā)現(xiàn),Z-DEVDFMK 的特異性較差,對其他半胱天冬酶,例如Caspase-2、Caspase-7、Caspase-8 和Caspase-10 似乎都存在抑制作用[38]。Ac-DEVD-CHO 是基于肽DEVD的Caspase-3 抑制劑,具有較強的特異性,能顯著抑制TNF-α 誘導(dǎo)的人牙齦上皮細胞焦亡[39]。 但在體內(nèi)的細胞活性和穩(wěn)定性較差是Ac-DEVD-CHO 最大的缺點[40]。 最近,CAO 研究團隊開發(fā)了一種新型GSDME衍生的Caspase-3 抑制劑Ac-DMPD-CMK/Ac-DMLDCMK,并發(fā)現(xiàn)其能顯著降低膽管結(jié)扎誘導(dǎo)的急性肝衰竭小鼠中ALT/AST 水平和LDH 釋放,減輕肝細胞損傷,且其效果明顯優(yōu)于Z-DEVD-FMK[41]。此外,最近發(fā)現(xiàn)一種JNK 抑制劑SP600125 能抑制GSDME介導(dǎo)的細胞焦亡,并有效地改善狼瘡性腎炎小鼠的疾病活動程度[42]。在體外研究中發(fā)現(xiàn),SP600125 能顯著抑制狼瘡患者血清誘導(dǎo)HK-2 細胞中GSDME 的表達及細胞焦亡[42]??傮w而言,這些研究均具有一定的局限性,缺乏強有力的臨床研究來證實其藥物的真實有效性。
天然藥用植物是新藥開發(fā)的重要來源。 中藥槐耳是一種藥用真菌,首次記載于葛洪的《肘后備急方》中,具有顯著的抗炎活性。研究發(fā)現(xiàn),中藥槐耳含藥血清可通過抑制GSDME 的表達來抑制OX7 抗體所誘導(dǎo)的腎系膜細胞焦亡[43]。 白藜蘆醇是一種多酚類物質(zhì),多種中藥如虎杖、決明子含有此成分,具有顯著抗炎、抗氧化活性。 王琳等[44]研究發(fā)現(xiàn),白藜蘆醇可通過抑制Caspase-3/GSDME 介導(dǎo)的細胞焦亡,來減輕高糖誘導(dǎo)的腎小球系膜細胞損傷。 此外,丹參的主要活性成分丹參酮能抑制膿毒癥大鼠心肌組織中GSDME、Caspase-3 蛋白的表達,降低血清IL-1β、IL-18、TNF-α 等炎癥因子表達,從而改善膿毒癥大鼠心臟功能,減輕心肌損傷[45]。
除了單味中藥及中藥活性成分,中藥復(fù)方同樣對GSDME 介導(dǎo)的細胞焦亡具有顯著的調(diào)控作用。劉鳴昊等[46]研究發(fā)現(xiàn),化痰祛濕方可通過抑制GSDMEN表達明顯改善LPS 誘導(dǎo)的巨噬細胞焦亡。 經(jīng)典名方小半夏湯,臨床常用于治療嘔吐之證,療效極佳。現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn),小半夏湯能抑制化療性異食癖模型大鼠胃竇Caspase-3、GSDME、GSDME-N 蛋白的表達,降低大鼠血清IL-1β、IL-18 水平,從而減少化療所導(dǎo)致的大鼠胃竇組織細胞焦亡,改善化療性惡心嘔吐[47]。 這一研究為小半夏湯止嘔的療效提供了充分的科學(xué)解釋,也為其臨床的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。
近年來,GSDME 介導(dǎo)的細胞焦亡一直備受關(guān)注,但相關(guān)研究仍然有限。 總的來說,關(guān)于GSDME作為細胞焦亡的關(guān)鍵效應(yīng)子的報道進一步提高了對GSDM 家族作為細胞死亡重要執(zhí)行者的理解。 通過對文獻的系統(tǒng)研究,不難發(fā)現(xiàn):(1)GSDME可作為一種潛在生物標志物,能反應(yīng)疾病的嚴重程度。如在類風濕關(guān)節(jié)炎患者的滑膜組織中GSDME-N 的表達水平與疾病活動度呈正相關(guān)。 與此一致,在克羅恩病患者結(jié)腸黏膜中GSDME 的表達明顯升高, 并且處于活動期的患者結(jié)腸黏膜中有著更高水平的GSDME-N。(2)GSDME 也是眾多非腫瘤疾病的防治靶點。 一些細菌及病毒感染可特異性地誘導(dǎo)GSDME介導(dǎo)的細胞焦亡,釋放炎癥因子,引起細胞因子風暴從而導(dǎo)致多器官功能損害。 而在小鼠模型中特異性敲除GSDME 后,小鼠因病毒或細菌感染所引起的病理改變明顯減輕。 此外,在DN、腎纖維化、肝衰竭等疾病中,同樣發(fā)現(xiàn)GSDME 的表達明顯升高,通過使用Caspase-3/GSDME 途徑的特異性抑制藥物(如Z-DEVD-FMK、Ac-DEVD-CHO 等)或其他的工具藥,能顯著改善動物模型中疾病的病理改變。 但這些藥物的相關(guān)研究僅限于動物及細胞模型,缺乏強有力的臨床試驗來提供更高級別的循證醫(yī)學(xué)證據(jù)。此外,目前存在的針對Caspase-3/GSDME 途徑的抑制藥物或多或少存在特異性低、體內(nèi)的細胞活性和穩(wěn)定性較差等缺點。 這需要藥物化學(xué)、藥理學(xué)等科研工作者展開深入研究,對現(xiàn)有藥物進行結(jié)構(gòu)修飾亦或開發(fā)出新的更為有效的Caspase-3 和GSDME抑制劑,以便未來的臨床轉(zhuǎn)化。 更為重要的是,天然藥用植物是新藥開發(fā)的重要來源,我國擁有豐富的中藥資源,從中草藥中開發(fā)出有效的針對GSDME 抑制劑具有較好的可行性。 目前,一些中藥活性成分似乎可通過誘導(dǎo)腫瘤細胞發(fā)生GSDME 介導(dǎo)的細胞焦亡,從而發(fā)揮抗腫瘤效應(yīng)。 而在非腫瘤疾病中,一些單味中藥和中藥單體如槐耳、丹參酮、白藜蘆醇就初步展示了對GSDME 的抑制活性,但仍需進一步深入研究。 此外,中藥復(fù)方如小半夏湯等也展現(xiàn)了對GSDME 介導(dǎo)的細胞焦亡的調(diào)控作用,因而未來從中醫(yī)藥中開發(fā)靶向GSDME 藥物具有良好的應(yīng)用前景。GSDME 介導(dǎo)的細胞焦亡與眾多非腫瘤疾病關(guān)系密切,或許未來GSDME 可作為一些疾病,特別是自身免疫及炎癥性疾病的治療及預(yù)后的新靶點,為這些難治性疾病帶來新希望。