Caspase-8：細胞焦亡研究中的新靶點*

何思, 孟瓊

廣東省第二人民醫(yī)院兒科(廣東廣州 510310)

盡管當前的早產兒救治技術不斷提高，但早產兒的常見并發(fā)癥，如支氣管肺發(fā)育不良(bonchopulmonary dysplasia,BPD)、新生兒壞死性小腸結腸炎(necrotizing enterocolitis, NEC)、顱內出血(intracranial hemorrhage)、敗血癥(sepsis)、早產兒視網膜病變(retinopathy of prematurity,ROP)等疾病的發(fā)生率并沒有下降，反而因早產兒存活率的升高呈現出上升趨勢[1]。根據Bell等[2]的調查顯示：2013—2018年，19家美國學術醫(yī)療中心出生并接受治療的極早產兒中，78.3%的嬰兒存活到出院，明顯高于2008—2012年出生的嬰兒，但8.9%(890/9 956)的嬰兒有NEC，2.4%(238/9 957)有早發(fā)感染，19.9%(1 911/9 610)有晚發(fā)感染，14.3%(1 386/9 705)發(fā)生了嚴重的顱內出血，12.8%(1 099/8 585)患有嚴重的ROP，重度BPD發(fā)生率高達8.0%(666/8 305)。中國的一項隊列研究亦發(fā)現：全國25個省的57個三級醫(yī)院新生兒重癥監(jiān)護病房在2019年1月1日至12月31日期間出生的所有胎齡<32周的早產兒，BPD發(fā)生率高達29.2%(2 379/8 148)，嚴重腦室內出血或腦室周圍白質軟化發(fā)生率達到10.4%(745/7 189)，NEC發(fā)生率4.9%(403/8 171)，敗血癥發(fā)生率9.4%(764/8 171)，ROP發(fā)生率4.3%(296/6 851)[3]。多年來，盡管國內外的學者及醫(yī)療團隊積極探索研究早產兒相關并發(fā)癥的預防、治療方法，但至今仍無特異性的預防或治療方案可以有效減少這些并發(fā)癥的發(fā)生，探究疾病的發(fā)病機制，成為了近年來醫(yī)學研究員的基礎研究熱點。新近研究發(fā)現，Caspase-8不僅可以介導細胞凋亡(apoptosis)、細胞壞死(necroptosis)的發(fā)生，還可以引發(fā)細胞焦亡(pyroptosis)，成為細胞焦亡研究中的新靶點[4-5]。

1 細胞焦亡概述

細胞焦亡是由Cookson和Brennan首次提出的一種不同于細胞凋亡的細胞程序性裂解死亡方式[6]。當細胞焦亡發(fā)生時，細胞膜破裂，細胞腫脹、染色質凝聚、細胞內的物質釋放并募集更多的炎癥因子從而擴大炎癥反應，引起機體損傷。但與細胞壞死不同，細胞焦亡發(fā)生時細胞核及線粒體的完整性沒有破壞[7]。根據發(fā)生機制和信號通路的不同，細胞焦亡可以分為經典細胞焦亡途徑和非經典細胞焦亡途徑。

1.1 經典細胞焦亡途徑 經典細胞焦亡途徑是機體一系列炎癥小體的模式識別受體(pattern recognition receptors，PRRs)識別檢測到入侵機體的病原微生物信號(PAMPs)或內環(huán)境失調而釋放的細胞內源性損傷相關分子(DAMPs)后活化半胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白酶-1前體蛋白(ProCaspase-1)[8]，激活的Caspase-1促進炎性因子生成、釋放，并能裂解GaserminD(GSDMD)從而誘導細胞膜孔隙開放，細胞內的物質得以釋放至胞外并引發(fā)、擴大炎癥反應[9-11]。炎癥小體是一種細胞內多聚蛋白復合物，由PRRs、凋亡相關斑點樣蛋白(associated speck-like protein containing CARD, ASC)和效應蛋白Caspase-1組成。PRRs根據組分又可以分為NLR家族(如NLRP1、NLRP3等)和黑色素瘤缺乏因子2(AIM2)等[12-15]。ASC作為銜接蛋白，具有Caspase募集激活結構域(caspase recruitdomain, CARD)，可以與Pro-Caspase-1結合并將無活性的Pro-Caspase-1活化成具有活性的Caspase-1[16]。激活的Caspase-1不僅可以切割下游炎性細胞因子前體如白細胞介素-1β前體(ProIL-1β)、白細胞介素-18前體(ProIL-18)，將其轉化為生物活性細胞因子IL-1β和IL-18[17]，還會誘導GSDMD的裂解使得細胞膜形成孔隙，使得炎性因子釋放至細胞外引起級聯(lián)式的炎癥風暴[18-19]。

1.2 非經典細胞焦亡途徑 非經典細胞焦亡由人類的Caspase-4/5和小鼠的Caspase-11介導[20-23]。Caspase-4/5/11的CARD不僅可以直接識別細菌脂多糖(LPS)并誘導其寡聚化[24]，也可以直接切割GSDMD，從而誘導細胞膜孔隙的形成，釋放IL-1α，導致細胞焦亡。但Caspase-4/5/11所介導的細胞焦亡對IL-1β和IL-18的活化生成無促進作用[25]。

2 細胞焦亡基礎研究中的新進展

研究證實細胞焦亡可以幫助機體消除病原體防止感染，但Caspase的過度活化和持續(xù)進行的炎癥反應又會引起機體的損傷[26-27]。過去的研究已經證明細胞焦亡參與了早產兒相關的NEC[28]、ROP[29]、顱內出血[30]及敗血癥[31-32]等疾病的發(fā)生發(fā)展，Caspase-1抑制劑的臨床實驗也已經得到了開展[33-34]，但到目前為止，市場上依然沒有被批準用于臨床治療的Caspase-1抑制劑藥物[35]。細胞焦亡的信號通路錯綜復雜，而最近的一項實驗表明：Caspase-8可介導一個獨立于 Caspase-1和Caspase-4/5/11的替代途徑而激活細胞焦亡[36]。這為研究細胞焦亡的發(fā)生機制及信號通路提出一個新靶點——Caspase-8。

3 Caspase-8

3.1 Caspase家族分類 Caspase是一組結構相似但效應機制不同的的炎性蛋白酶[37]，以無活性的酶原形式(Procaspase)在體內正常細胞中表達，只有在轉化成具有活性的狀態(tài)后才能發(fā)揮其效應。根據參與的信號通路和發(fā)揮效應機制，可以將Caspase家族分為以Caspase-3為代表的凋亡型半胱氨酸蛋白酶和以 Caspase-1/4/5為代表的焦亡型半胱氨酸蛋白酶兩大類。

過去的研究認為只存在細胞凋亡一種程序性細胞自動裂解死亡機制，但現在有越來越多的程序性細胞裂解死亡方式被人們熟知，包括細胞焦亡。近年來的研究證明，細胞焦亡和細胞凋亡緊密聯(lián)系，并非毫無交集，二者的機制通路中存在著許多的交叉點，Caspase-8就是最早發(fā)現的不同類型細胞死亡之間的橋梁之一[38]。

3.2 Caspase-8介導細胞凋亡 細胞凋亡根據途徑不同可以分為：內源性和外性細胞凋亡兩大途徑，但二者均需要Caspase家族成員的活化誘導。當凋亡啟動蛋白催化半胱天冬酶酶原的活化級聯(lián)反應后，凋亡效應蛋白開始切割細胞底物從而介導細胞凋亡的發(fā)生[39]。

外源性細胞凋亡途徑的發(fā)生需要細胞表面的受體如Fas(CD95)或腫瘤壞死因子受體1(TNFR1)與配體結合后形成死亡誘導信號復合體(DISC)。復合體的結構包括死亡結構域(FADD)和Caspase-8。適配器蛋白FADD由一個c末端死亡域(DD)和一個n末端死亡效應域(DED)組成。通過同型DD的相互作用，FADD被募集到死亡受體(DR)的胞內死亡域[40]。與DR結合的 FADD 誘導蛋白質發(fā)生構象改變，從而暴露DED結合 ProCaspase-8。ProCaspase-8的結構包含一個 n 端前結構域(包括兩個 DEDs)、一個大的含有催化位點的蛋白酶亞基(p20/p18)、一個短連接區(qū)和一個小亞基(p12/p10)。當ProCaspase-8與FADD的DED相結合后，將會寡聚化及轉化成具有活性的Caspase-8，從而啟動細胞凋亡并切割裂解效應蛋白Caspase-3和Caspase-7，從而激活細胞凋亡[41]。

內源性細胞凋亡是由細胞內毒素或DNA損傷引起的細胞內穩(wěn)態(tài)失調而觸發(fā)。B細胞淋巴瘤-2(BCL-2)家族蛋白的寡聚化激活內在信號通路，形成細胞膜孔隙細胞，細胞色素c得以釋放至細胞質中，觸發(fā)凋亡小體的形成和 Caspase-3激活從而發(fā)生細胞凋亡[42]。

3.3 Caspase-8介導細胞焦亡 過去的研究一直認為Caspase-8是一類凋亡型蛋白酶，不參與細胞焦亡的發(fā)生[43]。但最新的研究顯示，Caspase-8不僅可以誘導炎癥小體的聚集，激活炎癥因子介導細胞焦亡[44-45]，還可以抑制機體的先天免疫[4]。在正常狀態(tài)下，轉化生長因子激酶(TAK1)限制NLRP3炎癥小體和受體相互作用蛋白1(RIPK1)的磷酸化[46-47]。而另有學者實驗證明，耶爾森菌效應分子毒力蛋白YopJ與TAK1結合可以消除對RIPK1的抑制作用[48]，而激活的RIPK1將招募 FADD 和 ProCaspase8形成一個結構稱為 RIPoptosome的復合物，通過自動處理加工激活 Caspase-8，被激活的Caspase-8通過切斷GSDMD誘導細胞焦亡[49]。Caspase-8可以通過激活 Caspase-1引發(fā)炎性小體組裝，間接產生具有生物學活性的 IL-1β[50]。Caspase-8被認為是細胞焦亡的分子開關。Schneider等[36]利用缺乏Caspase-1蛋白酶活性的基因小鼠(C284A)證明：Caspase-8在炎癥小體中的激活受到GSDMD而非Caspase-1的抑制，但在Caspase-1酶活性失活的情況下，炎癥小體可以更有效地激活 Caspase-8，觸發(fā)與GSDMD無關的繼發(fā)性細胞焦亡通路，作為釋放成熟IL-1β的替代途徑。

NLRP3作為一種識別受體，能夠感知微生物入侵和內源性細胞損傷等危險信號，激活后與ASC形成炎癥小體，導致Caspase-1的活化，釋放促炎癥細胞因子[51]。Stutz等[52]的實驗卻表明Caspase-8可以通過負性調節(jié)NLRP3的激活而減輕細胞焦亡的程度。Hayley的實驗團隊使用LPS刺激缺乏細胞flick樣抑制蛋白(cflipl)的骨髓間充質干細胞(BMDMs)時發(fā)現，Caspase-8活性明顯增強，并指出LPS引起的細胞死亡需要Caspase-8和GSDMD參與，而不是NLRP3、Caspase-1或Caspase-11的介導[53]。Demarco等[54]的研究進一步說明，GSDMD的裂解活化并不需要依賴于Caspase-1活化而通過Caspase-8介導，使機體對TNF-α的誘導作出應答，而且Caspase-8激活的GSDMD能夠幫助宿主防御耶爾森菌的感染，最后還指出，GSDMD的裂解和細胞焦亡需要Caspase-8的二聚化和自動加工，無催化活性的Caspase-8無法引起GSDMD的裂解和細胞膜破裂。

4 Caspase-8在細胞焦亡研究中的展望

適度的細胞焦亡可以幫助機體及時清除感染細胞，維持細胞內環(huán)境穩(wěn)定[55]，但過度的細胞焦亡會導致炎癥反應加重[26]，引起細胞死亡和嚴重的組織和器官衰竭[56]。雖然已有研究證實，小鼠巨噬細胞暴露于 TAK1抑制劑后，Caspase-8 通過腫瘤壞死因子復合物IIb(TNF Complex, IIb)可直接切斷GSDMD引發(fā)細胞焦亡，為宿主抵御耶爾森菌感染提供保護，減少細胞焦亡的程度，從而減輕肺部的炎癥反應[54, 57]。但是，不同疾病狀態(tài)下，不同的信號因子是如何激活Caspase-8，活化的Caspase-8又是如何介導疾病的發(fā)生、發(fā)展，這些具體的信號通路及其相關的調節(jié)效應蛋白均有待我們進一步研究闡明。

綜上所述，靶向研究Caspase-8及其信號傳遞機制、通路效應蛋白將有助于我們進一步研究細胞焦亡的信號通路和致病機制。

利益相關聲明：本文作者和單位未曾接受第三方資金或服務支持，無相關利益沖突。

作者貢獻說明：本文由何思作者進行文獻檢索及撰寫成文，孟瓊進行修改審核。