GSDMD介導的細胞焦亡在心房顫動中的研究進展

商雪 趙嘉昊 李昕璽 祝慧 趙珂 劉振興 徐會圃

濱州醫(yī)學院附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科，濱州 256600

心房顫動（atrial fibrillation，AF）是臨床上常見的心律失常，其患病率正在上升，顯著增加了中風、心力衰竭和心血管死亡的風險［1-2］。隨著經(jīng)濟增長、人口老齡化以及糖尿病、高血壓、肥胖癥和飲酒等風險因素的增加，AF 的患病率在全球范圍內(nèi)不斷增加，并已成為一個主要的公共衛(wèi)生負擔［3］。目前，AF 的發(fā)病機制仍然未知，進一步探究AF 的發(fā)病機制對減少AF 的發(fā)病率有重要的作用，大量的研究表明炎癥參與了AF 的這一發(fā)病過程［4-5］。近期發(fā)現(xiàn)的新型細胞死亡方式——細胞焦亡，是一種程序性促炎細胞死亡方式，現(xiàn)有的研究證明AF 患者與健康人群相比，其炎性小體及下游因子有所增加，表明在AF 的發(fā)生發(fā)展過程中，細胞焦亡是其中一環(huán)［6-8］。消皮素D（GSDMD）作為焦亡的效應物，有希望將GSDMD抑制劑開發(fā)用于炎癥性疾病。

細胞焦亡

1.細胞焦亡的定義

細胞焦亡最早在1992年被Zychlinsky等［9］首次發(fā)現(xiàn)，但這個術語直到2001 年才被創(chuàng)造出來，這是因為觀察到了受細菌感染的巨噬細胞在caspase-1 活性的作用下經(jīng)歷了細胞的快速裂解死亡［10］。2015 年2 月，焦亡被定義為gasdermin 介導的程序性死亡［11］。2018 年細胞死亡命名委員會定義細胞焦亡為依賴gasdermin 蛋白家族成員形成的質(zhì)膜孔隙的一種細胞死亡方式，至此，細胞焦亡的定義日趨完善［12］。

2.細胞焦亡的形態(tài)學特征

（1）細胞焦亡具有一種特殊的DNA 損傷形式，雖然發(fā)生染色質(zhì)濃縮和DNA 斷裂，但細胞核保持完整；（2）炎癥誘導孔洞形成導致細胞發(fā)生腫脹和滲透溶解，失去了細胞膜的完整性；（3）焦亡發(fā)生的最后一般伴隨著炎性物質(zhì)［白細胞介素（IL）-1β、IL-18］的釋放，這些都是和細胞凋亡的不同之處。概括來說，即焦亡的形態(tài)學特征包括：形成氣泡樣突起、質(zhì)膜形成孔、細胞腫脹、膜破裂、炎癥因子（IL-1β、IL-18）的釋放［13-14］。

3.細胞焦亡的途徑

目前，已發(fā)現(xiàn)的焦亡途徑大致可分為以下4 種類型，包括經(jīng)典焦亡途徑、非經(jīng)典焦亡途徑、其他caspase 介導的焦亡途徑以及近期發(fā)現(xiàn)的顆粒酶介導途徑。

3.1.細胞焦亡的經(jīng)典途徑 細胞焦亡的經(jīng)典途徑是指在病原體相關分子模式或損傷相關分子模式被機體內(nèi)的模式識別受體識別后，先通過凋亡相關斑點樣蛋白（apoptosis-associated speck-like protein， ASC） 與caspase-1 前體連接，形成炎性小體，炎性小體進一步激活caspase-1 前體裂解形成具有活性的caspase-1，激活的caspase-1對GSDMD進行剪切活化，最終導致細胞焦亡［15］。

3.2.細胞焦亡的非經(jīng)典途徑 非經(jīng)典焦亡通路則由caspase-4/5/11完成。Shi等［11］于2015年發(fā)現(xiàn)，caspase-4/5/11均能裂解GSDMD，形成N-端結(jié)構(gòu)域（GSDMD-N）和C-端抑制結(jié)構(gòu)域（GSDMD-C），其中GSDMD-N通過寡聚化，在細胞膜上形成孔隙，導致細胞焦亡。

3.3.其他caspase 介導的細胞焦亡途徑 目前，Wang等［16］于2017 年提出細胞在接受化療藥物后，活化的caspase-3 可以剪切GSDME，形成GSDME-N 片段和GSDME-C 片段，釋放的GSDME-N 片段能夠造成細胞膜穿孔，最終導致細胞焦亡。最近的一項研究報道，在小鼠骨髓來源的樹突狀細胞中，F(xiàn)as 連接觸發(fā)了強caspase-8 依賴的GSDMD 的分裂和焦亡［17］；另有研究表明， caspase-8 也可通過裂解GSDMD來誘導細胞焦亡［18］。

3.4.顆粒酶介導的細胞焦亡途徑 顆粒酶是由細胞毒性T 細胞和自然殺傷細胞內(nèi)的細胞質(zhì)顆粒釋放的絲氨酸蛋白酶，其中顆粒酶A 和顆粒酶B 被廣泛研究。Zhou 等［19］首次揭示了細胞毒性淋巴細胞所分泌的顆粒酶A 通過切割GSDMB 釋放GSDMB-N 片段導致細胞穿孔，以誘發(fā)細胞焦亡，而且該過程不涉及caspase 的活化。Zhang 等［20］發(fā)現(xiàn)，顆粒酶B 在caspase 3 位點切割GSDME 時，可誘導細胞焦亡的發(fā)生。

4.GSDMD蛋白

在細胞焦亡的眾多途徑中，gasdermin 蛋白是最終的效應蛋白。在人體中，gasdermin 蛋白家族包括6 個成員，包括GSDMA、B、C、D、E 和F，均具有成孔活性［21］。GSDMD 是gasdermin成孔蛋白家族中目前研究最為廣泛和深入的一類蛋白，存在于體內(nèi)各種細胞和組織的胞漿中。人和小鼠GSDMD 的結(jié)構(gòu)在2019 年已被闡明［21-22］。GSDMD 包含22 ku 的GSDMD-C 和31 ku 的GSDMD-N［23］。GSDMD 是caspase-1 和caspase4/5/11 的通用底物，炎癥性caspases 裂解GSDMD，通過釋放裂解GSDMD-N 與細胞膜相結(jié)合形成大的跨膜孔。通過電子顯微鏡，可以看到GSDMD-N 孔的內(nèi)徑為10.0～15.0 nm，足夠進一步釋放具有4.5～5.0 nm 分子直徑的促炎產(chǎn)物（IL-1β 和IL-18）通過，細胞破裂，從而導致細胞焦亡［24-25］。

5.GSDMD抑制劑

有許多傳感器和介質(zhì)均能觸發(fā)焦亡，但GSDMD 和其他GSDM 家族成員的孔隙形成是一個有吸引力的藥物靶點，不像核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3（NOD-like receptor protein 3，NLRP3）等炎癥小體抑制劑只抑制一種特定的炎癥小體。因為孔隙形成是由致病信號或危險信號引起的焦亡和炎癥細胞因子釋放的共同的最終步驟，可以抑制由任何刺激觸發(fā)的所有炎癥小體通路激活所引起的炎癥，其中GSDMD抑制劑是最有吸引力的治療藥物。

雙硫侖是一種醛脫氫酶抑制劑，是FDA 批準的一種治療酒精成癮的藥物，近期被證明可以通過抑制GSDMD-N與胞質(zhì)膜內(nèi)小葉酸性磷脂的結(jié)合來阻止細胞焦亡和細胞因子的釋放［26］。雙硫侖可以抑制人類和小鼠細胞的典型和非典型炎癥小體引起的焦亡，通過干擾GSDMD 的孔隙形成，雙硫劑提供了一種有效的手段來抑制炎癥反應［27］。雙硫侖在醫(yī)學上有很長的使用歷史，并且已經(jīng)掌握了安全信息，并且雙硫侖已經(jīng)被用于治療癌癥患者。此外，雙硫磷可廣泛獲得，且具有良好的安全性，是一種經(jīng)濟和低成本的藥物。綜上所述，雙硫侖對研究GSDMD 介導的細胞焦亡具有非常重要的意義。

細胞焦亡在AF中的研究

AF 是臨床上常見的心侓失常，它有多種模式、癥狀和后果，可以是陣發(fā)性、持續(xù)性、永久性［28-29］。AF 的發(fā)生機制在很大程度上仍然未知。就目前研究結(jié)果表明，AF 沒有單一的病因機制，多種因素參與其中，炎癥是其中一個重要的生物過程，可介導組織愈合，以應對感染或組織損傷［30］。AF 的進展不僅與強烈的炎性反應相關，長期的慢性炎癥也能夠誘導心房發(fā)生纖維化及結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，導致AF 的發(fā)生和維持。冠狀動脈疾病和慢性腎病是增加AF 患病率的慢性促炎條件，炎癥性腸病、類風濕關節(jié)炎和銀屑病等系統(tǒng)性炎癥疾病，也均伴有AF發(fā)病率增加［31］。細胞焦亡是一種與炎癥相關的程序性死亡，有報道稱焦亡可導致心肌細胞損傷和焦亡，這凸顯了GSDMD 作為心血管疾病治療靶點的潛力［32］。

有研究表明，在心肌細胞和心臟成纖維細胞中均發(fā)現(xiàn)了NLRP3 炎性小體成分［33］。也有研究進一步證明，NLRP3 炎癥小體直接參與AF 發(fā)病機制［6］。在該研究中，分別檢測了陣發(fā)性房顫（paroxysmal atrial fibrillation，pAF）患者、持續(xù)性房顫（persistent atrial fibrillation，perAF）患者及健康體檢者右心房組織細胞懸液中NLRP3 的表達水平和活性，其研究結(jié)果表明AF患者的NLRP3小體活性明顯增高，并且perAF患者NLRP3、ASC和活化的caspase-1（casp1-p20）的蛋白水平均有所升高，這表明NLRP3炎癥小體伴隨著AF的持續(xù)性發(fā)展。并且在該研究中利用shRNA 介導的NLRP3 基因敲除小鼠和應用NLRP3 選擇性抑制劑MCC950 的小鼠進一步證實了NLRP3 炎性小體參與了AF的發(fā)病機制。NLRP3炎性小體其下游分子ASC、caspase-1、IL-1β 和IL-18 水平也被發(fā)現(xiàn)在 AF 中升高［7-8］。有研究證明，應用實時熒光定量PCR 和蛋白質(zhì)印跡分析可發(fā)現(xiàn)患有AF 的小鼠表現(xiàn)出上調(diào)的NLRP 3、ASC、半胱天冬酶-1 和GSDMD［34］。也有研究表明，發(fā)現(xiàn)成熟的caspase-1可以切割GSDMD，而GSDMD 的n 端可在肌膜中創(chuàng)造孔隙，促進分泌性免疫細胞和心臟成纖維細胞釋放成熟的IL-1β 和IL-18［35］。在心臟術后發(fā)生AF 的患者心房肌細胞中，NLRP3 和前caspase-1、GSDMD 均顯著高于竇性心律患者［36］。目前，臨床應用的診療方案已經(jīng)顯著改善了AF患者的生存期，然而，其長期預后仍然很差，需要進一步完善靶向治療。

綜上所述，進一步探索GSDMD 蛋白介導的細胞焦亡機制對研究AF的發(fā)病機制及制訂新的診療方案非常重要。

總結(jié)與展望

隨著細胞焦亡這種新的細胞死亡方式被發(fā)現(xiàn)以來，大量的學者對此進行了研究，表明焦亡參與了神經(jīng)系統(tǒng)疾病、自身免疫性疾病、腫瘤、心血管疾病等多種疾病的進展［37-40］。目前，細胞焦亡在各類心血管疾病中被廣泛研究，但在AF 領域仍有較大的研究空間［41］。其中，GSDMD 作為細胞焦亡的效應蛋白，GSDMD 抑制劑可作為治療手段的一個關鍵靶點，其前景值得期待。

作者貢獻聲明商雪：實施研究、查閱文獻、收集整理數(shù)據(jù)、起草文章；趙嘉昊：查閱文獻、對文章的知識性內(nèi)容作批評性審閱；李昕璽、祝慧：分析/解釋數(shù)據(jù)、對文章的知識性內(nèi)容作批評性審閱；劉振興、趙珂：收集整理數(shù)據(jù)；徐會圃：分析/解釋數(shù)據(jù)、對文章的知識性內(nèi)容作批評性審閱、獲取研究經(jīng)費、指導