GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡在呼吸系統(tǒng)疾病中研究進(jìn)展

黃鳳萍 梁劍 何英鸞

(平果市人民醫(yī)院，廣西 平果 531499)

細(xì)胞焦亡是近年來新發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞程序性死亡方式，在形態(tài)學(xué)上出現(xiàn)細(xì)胞核固縮、染色質(zhì)DNA斷裂等與凋亡相似的特征，又同時(shí)具備一些與細(xì)胞凋亡不同的特異性表現(xiàn)，如細(xì)胞質(zhì)膜孔洞形成、炎性因子大量釋放等[1]。消皮素D(Gasdermin D,GSDMD)是細(xì)胞焦亡的“殺手蛋白”，不論在經(jīng)典的還是非經(jīng)典的焦亡途徑的信號通路中，GSDMD都作為執(zhí)行蛋白發(fā)揮關(guān)鍵作用。近年來多項(xiàng)研究顯示，GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡與急性肺損傷、支氣管哮喘、慢性阻塞性肺氣腫、肺癌等多種呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展過程密切相關(guān)。本文通過總結(jié)GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡在呼吸系統(tǒng)疾病中作用研究進(jìn)展，期望為今后研究如何通過GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡途徑診斷及治療呼吸系統(tǒng)疾病提供理論基礎(chǔ)。

1 GSDMD與細(xì)胞焦亡的概述

GSDMD屬于GSDM蛋白家族，位于人第8號染色體，由487個(gè)氨基酸構(gòu)成，全長53kDa，廣泛表達(dá)于多種細(xì)胞和組織的胞漿中[2]。在靜息狀態(tài)下GSDMD的 N 端與 C 端結(jié)構(gòu)域通過長環(huán)相連接，處于無活性的自抑制狀態(tài)；GSDMD被Caspase切割后，釋放N端結(jié)構(gòu)域，參與細(xì)胞焦亡；被切割后形成的N端形成多聚體，特異性結(jié)合細(xì)胞膜內(nèi)的膜磷酸肌醇，穿透質(zhì)膜形成直徑約10～15 nm的親水性孔道，10 nm以下的無機(jī)離子可通過該孔道引起細(xì)胞腫脹，炎性因子IL-1β和IL-18也同時(shí)被釋放到細(xì)胞外，進(jìn)而募集其他的炎性細(xì)胞并擴(kuò)大炎癥反應(yīng)[2-3]。根據(jù)所依賴的炎性 Caspase 的不同，焦亡被分為經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑和非經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑。當(dāng)機(jī)體受到病原微生物等刺激，NLRP3、NLRC4、AIM2、Pyrin等炎癥小體被激活，可將Pro-Caspase-1加工裂解形成有活性的Caspase-1，GSDMD蛋白被Caspase-1切割釋放N端結(jié)構(gòu)域，使細(xì)胞死亡并破壞細(xì)胞膜形成微小孔隙，IL-18、IL-1β和細(xì)胞內(nèi)容物通過這些孔隙釋放到胞外誘發(fā)炎癥反應(yīng)，并募集更多的炎癥細(xì)胞聚集，擴(kuò)大炎癥反應(yīng)，這種依賴于Caspase -1的細(xì)胞死亡方式稱為經(jīng)典途徑細(xì)胞焦亡[3]。非經(jīng)典途徑細(xì)胞焦亡：人Caspase-4/5 通過CARD結(jié)構(gòu)域直接識別宿主細(xì)胞質(zhì)中細(xì)菌脂多糖，在胞內(nèi)形成的大分子蛋白復(fù)合體發(fā)生寡聚而活化，直接切割 GSDMD導(dǎo)致細(xì)胞焦亡[4]。

2 GSDMD與呼吸系統(tǒng)疾病

2.1GSDMD與肺炎 肺炎是指氣道、肺泡及肺間質(zhì)的肺實(shí)質(zhì)感染，可由病原微生物、理化因素、免疫損傷、藥物等引起，在全世界所有年齡組中都有高發(fā)病率。焦亡是在細(xì)菌感染的吞噬細(xì)胞中被首次發(fā)現(xiàn)的，說明其與感染性疾病密切相關(guān)；研究發(fā)現(xiàn)肺炎鏈球菌、胸膜肺炎放線桿菌、白色念珠菌、耐藥性金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌等病原微生物均被證實(shí)可誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生焦亡[6]。GSDMD的 N 端不僅可通過直接殺傷游離細(xì)菌來參與感染過程中受損細(xì)胞的死亡，還可充當(dāng)警報(bào)信號，促進(jìn)免疫細(xì)胞募集進(jìn)而促進(jìn)病原體清除，防治感染并誘發(fā)病理性炎癥。Li等研究發(fā)現(xiàn)，在肺炎誘導(dǎo)的膿毒癥患者血液樣本中IL-1β、IL-18、NLRC4、NLRP3、Caspase-1、GSDMD表達(dá)上調(diào)，其機(jī)制可能為，被IL-17激活的NF-κB與TLR4和NLRP3啟動子區(qū)結(jié)合，提高了GSDMD的轉(zhuǎn)錄，從而促進(jìn)細(xì)胞焦亡[7]。Liud等發(fā)現(xiàn)，肺炎支原體感染的患兒外周血單核細(xì)胞中IL-1β、IL-18、TNF-α、NLRP3的mRNA表達(dá)水平均升高，進(jìn)一步的體外細(xì)胞研究證實(shí)，肺炎支原體感染可誘導(dǎo)A549細(xì)胞中NLRP3、Caspase-1、pro-Caspase-1和GSDMD-N的上調(diào)，而應(yīng)用NLRP3抑制劑INF39和中藥麻杏石肝湯可以下調(diào)NLRP3、Caspase -1、pro-IL-1β、GSDMD-N水平，減輕細(xì)胞焦亡、抑制促炎細(xì)胞的產(chǎn)生[8]。另有研究發(fā)現(xiàn)，在肺炎球菌引起的膿毒癥中，IL-6可通過抑制肺炎球菌肺炎膿毒癥中GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡來阻止肺巨噬細(xì)胞死亡、減輕肺炎癥損傷[9]。此外，Peng等通過建立流感合并肺炎鏈球菌感染的小鼠模型，進(jìn)行的動物實(shí)驗(yàn)表明：GSDMD介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞焦亡通過增加炎癥因子加劇肺炎癥損傷，而應(yīng)用IL-4和雙硫合劑可通過抑制細(xì)胞焦亡來降低免疫細(xì)胞的死亡以及降低流感后肺炎鏈球菌合并感染的風(fēng)險(xiǎn)[10]。上述研究均提示：GSDMD 的致炎和抗炎作用使其可能成為肺炎抗菌和抗炎治療的靶點(diǎn)。

2.2GSDMD與急性肺損傷 急性肺損傷是由各種直接或間接因素導(dǎo)致肺泡上皮細(xì)胞及毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷，造成彌漫性肺間質(zhì)和肺泡水腫，進(jìn)而導(dǎo)致急性低氧性呼吸功能不全[11]。細(xì)胞焦亡通過參與固有免疫反應(yīng)來保護(hù)機(jī)體免受病原微生物的感染，但如果細(xì)胞焦亡被過度激活，則會導(dǎo)致細(xì)胞大量死亡、組織損傷、器官衰竭甚至膿毒性休克等病理狀態(tài)。張曉等研究表明，與正常對照組相比，機(jī)械通氣相關(guān)性肺損傷的小鼠肺組織中GSDMD-N表達(dá)上調(diào)[12]。另一項(xiàng)研究則發(fā)現(xiàn)注射鳶尾素后，可減輕大鼠呼吸機(jī)相關(guān)性肺損傷，其機(jī)制可能與抑制細(xì)胞焦亡中GSDMD、Caspase-1活性有關(guān)[13]。還有研究通過動物實(shí)驗(yàn)表明：在脂多糖所致的急性肺損傷小鼠中，存在GSDMD蛋白的表達(dá)與活化，而GSDMD基因敲除后，脂多糖所致的小鼠肺組織炎癥水平與肺組織損傷程度均減輕[14]。解健等對急性呼吸窘迫綜合征患者血液中性粒細(xì)胞中GSDMD的表達(dá)水平進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示：較健康志愿者，GSDMD在急性呼吸窘迫綜合征患者中的表達(dá)水平顯著升高；進(jìn)一步的動物實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)：急性肺損傷小鼠肺部浸潤的中性粒細(xì)胞焦亡水平升高，而經(jīng)過特異性敲除GSDMD后，急性肺損傷小鼠肺組織受損程度、肺部炎癥水平得到明顯緩解[15]。上述研究均說明，調(diào)控細(xì)胞焦亡可能成為防治急性肺損傷的一個(gè)突破點(diǎn)。

2.3GSDMD與支氣管哮喘 支氣管哮喘是一種以氣道慢性炎癥為特征的呼吸系統(tǒng)疾病，目前對其發(fā)病機(jī)制的研究主要集中于氣道炎癥機(jī)制、免疫調(diào)節(jié)機(jī)制、遺傳及環(huán)境因素以及神經(jīng)調(diào)節(jié)機(jī)制等方面[16]。由感染性或非感染性刺激引起的炎癥小體可激活氣道上皮中GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡，引起的氣道上皮損傷可誘發(fā)氣道高敏感性和高反應(yīng)性，誘發(fā)持續(xù)氣道炎癥。有研究在哮喘小鼠肺組織中檢測到NLRP3、Caspase 1、GSDMD-N表達(dá)水平增加，說明哮喘過程中可能存在細(xì)胞焦亡的過度激活[17]。劉帆等研究發(fā)現(xiàn)，在肥胖型哮喘小鼠的支氣管上皮細(xì)胞中NLRP3、GSDMD高表達(dá)并影響氣道重塑，其機(jī)制可能為血清類黏蛋白1樣蛋白3促進(jìn)下游因子高表達(dá)，激活GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡，進(jìn)而加重了氣道重塑，誘發(fā)哮喘[18]。Zhuang等通過構(gòu)建體內(nèi)外模型，發(fā)現(xiàn)甲苯二異氰酸酯可導(dǎo)致人、小鼠支氣管上皮細(xì)胞發(fā)生焦亡，其機(jī)制可能為GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡被激活后，通過招募中性粒細(xì)胞和嗜酸性粒細(xì)胞來加劇氣道炎性上皮損傷；而應(yīng)用NLRP3炎癥小體抑制劑可通過降低支氣管上皮細(xì)胞中的Caspase-1、GSDMD分解，來抑制炎癥反應(yīng)進(jìn)而降低氣道炎癥和高反應(yīng)性[19]。上述研究均表明哮喘發(fā)病過程中存在細(xì)胞焦亡的過度激活，GSDMD介導(dǎo)的焦亡可能是哮喘的潛在治療靶點(diǎn)。

2.4GSDMD與慢性阻塞性肺疾病 慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)的發(fā)生與多種因素有關(guān)，包括空氣污染、呼吸道感染、遺傳、氣道反應(yīng)性增高等，特別是煙草暴露引起的支氣管和肺泡上皮細(xì)胞損傷被認(rèn)為是COPD的重要發(fā)病機(jī)制[20]。炎癥反應(yīng)和細(xì)胞死亡是與COPD相關(guān)的兩個(gè)最重要的致病因素,而細(xì)胞焦亡過程中上皮細(xì)胞死亡、大量釋放的炎癥因子，引起的擴(kuò)大炎癥反應(yīng)可能與COPD持續(xù)存在的氣道損傷與氣道重塑有關(guān)。Wang等研究發(fā)現(xiàn)，在香煙煙霧誘導(dǎo)的COPD大鼠模型及體外培養(yǎng)細(xì)胞中，GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡在COPD發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮作用，而硫化氫可以通過靶向抑制TLR4/NF-κB通路顯著降低細(xì)胞焦亡[21]。Rao等研究發(fā)現(xiàn)在COPD患者和COPD小鼠模型的氣道上皮細(xì)胞中，GSDMD-N/GSDMD-C的表達(dá)增加；進(jìn)一步的體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，香煙煙霧提取物可誘導(dǎo)GSDMD-N在氣道上皮細(xì)胞中的表達(dá)上調(diào)；應(yīng)用藥物抑制GSK205或敲減TRPV4功能后，可作用于Ca2+/NLRP3/caspase-1/GSDMD途徑減弱香煙煙霧誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[22]。Mo等研究發(fā)現(xiàn)，尼古丁暴露可通過提高氣道上皮細(xì)胞中Caspase-1、IL-1β、IL-18、NLRP3、ASC和GSDMD的表達(dá)抑制細(xì)胞增殖、促進(jìn)細(xì)胞死亡，進(jìn)而參與COPD的進(jìn)展[23]。因此，進(jìn)一步研究COPD與支氣管上皮細(xì)胞焦亡的關(guān)系，能夠增加人們對COPD的認(rèn)識，為疾病的診療提供幫助。

2.5GSDMD與肺癌 近年來，GSDMD被證實(shí)在多數(shù)腫瘤中均有表達(dá)差異，可作為腎上腺皮質(zhì)癌、腎癌、神經(jīng)膠質(zhì)瘤、肝細(xì)胞癌、黑色素瘤和直腸腺癌等惡性腫瘤的預(yù)后標(biāo)志物[24]。一方面炎性小體可以誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生焦亡，抑制腫瘤細(xì)胞的增殖；另一方面，炎性小體的累積效應(yīng)也可以形成適宜腫瘤細(xì)胞生長的微環(huán)境，起著促瘤生長的作用[25]。Gao等證明了GSDMD參與調(diào)節(jié)非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞增殖，且GSDMD的表達(dá)量與腫瘤大小及TNM分期有關(guān)，其機(jī)制可能為GSDMD下調(diào)后可抑制線粒體凋亡通路和EGFR/Akt信號通路來抑制腫瘤增殖[26]。王莉等研究顯示，GSDMD在肺癌組織中的表達(dá)高于癌旁正常組織，通過在肺癌細(xì)胞A549中下調(diào)GSDMD的表達(dá)，可抑制癌細(xì)胞的增殖、遷移、侵襲能力[27]。Cheng等在腫瘤裸鼠模型和A549細(xì)胞耐藥模型中驗(yàn)證，麥冬戈青素B可通過GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡抑制非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞的增殖，并減輕肺癌細(xì)胞對順鉑的耐藥性[28]。Yuan等發(fā)現(xiàn)在非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞和非小細(xì)胞肺癌小鼠模型中，葫蘆素B直接結(jié)合toll樣受體4 后激活NLRP3炎癥小體，進(jìn)而導(dǎo)致GSDMD的N-末端和c -末端分離介導(dǎo)細(xì)胞焦亡，最終通過焦亡作用發(fā)揮抗腫瘤作用[29]。Teng等報(bào)道了從延齡草中分離的PPVI可顯著抑制非小細(xì)胞肺癌的細(xì)胞增殖，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在非小細(xì)胞肺癌裸鼠模型及H1299細(xì)胞中，PPVI可通過ROS/NF-κB/NLRP3/GSDMD信號軸發(fā)揮作用，調(diào)控細(xì)胞焦亡進(jìn)而抑制非小細(xì)胞肺癌的進(jìn)展[30]。綜述所述，GSDMD在肺癌的進(jìn)展中起著重要作用，GSDMD可能成為肺癌的潛在治療靶點(diǎn)。

3 展 望

雖然GSDMD在焦亡中的作用近期才被發(fā)現(xiàn)，已有研究人員已經(jīng)開始尋找能阻斷GSDMD功能的小分子抑制劑來減輕細(xì)胞焦亡帶來的不利影響[31]。目前對GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡在呼吸系統(tǒng)疾病中的研究才剛剛起步，無論是致病機(jī)制還是其在疾病發(fā)生發(fā)展進(jìn)程中的作用與地位都有待進(jìn)一步更細(xì)致的研究，相信對細(xì)胞焦亡機(jī)制的深入探索可以為呼吸系統(tǒng)疾病的治療尋找到新的靶點(diǎn)。