焦孔素家族在皮膚病中的研究進展

周立雪,付麗新,陳 濤,△,李 倩

(1.遵義醫(yī)科大學(xué),貴州 遵義 563000;2.成都市第二人民醫(yī)院,四川 成都 610017)

焦孔素是近年來新發(fā)現(xiàn)的一個執(zhí)行細(xì)胞死亡的家族,因其具有強大的細(xì)胞焦亡作用,常作用于炎癥與變態(tài)反應(yīng)性皮膚病、自身免疫性皮膚病、腫瘤性皮膚病等領(lǐng)域,但目前尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于焦孔素在皮膚病中的研究現(xiàn)狀的報道。該文就焦孔素在皮膚病中的研究進展展開綜述。

1 焦孔素家族

焦孔素的結(jié)構(gòu)是由一個細(xì)胞毒性的N端結(jié)構(gòu)域和一個C端的阻遏結(jié)構(gòu)域,兩個結(jié)構(gòu)域之間又通過一個柔性鏈接域構(gòu)成[1]。炎性半胱氨酶是目前切割焦孔素最強的酶,它通過裂解焦孔素內(nèi)部的鏈接域來促進焦孔素活化,將切割后N端結(jié)構(gòu)域插入細(xì)胞膜后會寡聚形成一個具有27倍對稱性的寡聚膜孔,從而引起焦孔素構(gòu)象改變從而誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡[2]。焦孔素家族在人類中有6種分型:焦孔素A(GSDMA)、焦孔素B(GSDMB)、焦孔素C (GSDMC)、焦孔素D (GSDMD)、焦孔素E (GSDME)和PEJVAKIN(PJVK)[3];在小鼠中有10種分型:焦孔素A1-3、焦孔素C1-4、焦孔素D、焦孔素E 和PJVK),與人類中最大區(qū)別是小鼠中是沒有焦孔素B。

焦孔素A首先是從小鼠皮膚克隆的,在人類的食管、膀胱、皮膚的上皮細(xì)胞中表達(dá)[2],誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。據(jù)以往報道,Gsdma3有9種突變導(dǎo)致小鼠炎癥和脫發(fā),與毛囊發(fā)育有關(guān),攜帶Gsdma3的小鼠已被廣泛用于研究瘢痕性脫發(fā)中毛囊破壞的機制。

焦孔素B,小鼠當(dāng)中沒有此類型,在人類的氣道上皮、食管、胃、肝、結(jié)腸等位置表達(dá)[4]。它很多癌癥相關(guān),比如胃癌、肝癌、乳腺癌等,但是Gsdmb是如何促進癌癥細(xì)胞存活目前還不清楚。此外,GSDMB SNPs具有誘導(dǎo)氣道上皮細(xì)胞焦亡的作用,目前發(fā)現(xiàn)與哮喘、潰瘍性結(jié)腸炎等有關(guān)[5]。

焦孔素C在大腦皮層、內(nèi)分泌組織、皮膚、氣管、食道、胃腸、陰道和膀胱等表達(dá)[6],是首先在小鼠轉(zhuǎn)移性黑色素瘤細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)表達(dá)上調(diào)的基因,在黑素色瘤中強表達(dá)[7],它還可以降低結(jié)直腸癌細(xì)胞的增殖,在食管鱗狀細(xì)胞癌的中也有表達(dá)。

焦孔素D在食道、胃和皮膚中表達(dá)[2],已被證明會導(dǎo)致細(xì)胞炎癥壞死。是細(xì)胞焦亡唯一的執(zhí)行者。研究表明GSDMD在caspase-4/5/11和caspase-1介導(dǎo)的多種炎性體下游被切割而發(fā)生的細(xì)胞焦亡[8,9]。焦孔素D被caspase-1和caspase-4/5/11切割后將其N末端效應(yīng)結(jié)構(gòu)域從 C末端抑制結(jié)構(gòu)域中釋放出來,N-末端結(jié)構(gòu)域在細(xì)胞膜中寡聚化并形成一個直徑為10～16 nm 的孔,通過該孔分泌較小直徑的底物,如IL-1β和IL-18等細(xì)胞因子[10],擾亂離子穩(wěn)態(tài)和水的調(diào)節(jié),最終導(dǎo)致強烈的炎癥和細(xì)胞死亡。雖然其他焦孔素家族成員沒有被炎性半胱天冬酶切割,但共享自抑制作用。

焦孔素E在大腦、子宮內(nèi)膜、胎盤、腸道中表達(dá)[2],最初被克隆為常染色體顯性非綜合征聽力損失的候選基因。有研究表明斑馬魚焦孔素Eb的缺失導(dǎo)致了耳半圓形管的畸形[11],也有研究表明焦孔素E在腫瘤疾病當(dāng)中也有表達(dá),且是一個腫瘤抑制因子。

PJVK和焦孔素E一樣,是焦孔素最古老的成員,最初是從睪丸中克隆出來的,但它也在其他組織中廣泛表達(dá),包括內(nèi)耳的毛細(xì)胞和聽覺系統(tǒng)的其他細(xì)胞[12],所以也與耳聾或者聽力障礙有關(guān)。

據(jù)研究表明,焦孔素自20世紀(jì)首次報道后,因其強大的細(xì)胞焦亡作用,在一些皮膚性病中,如炎癥與變態(tài)反應(yīng)性皮膚病、自身免疫性皮膚病、腫瘤性皮膚病等都發(fā)現(xiàn)了它的存在。

2 焦孔素與皮膚病

2.1 炎癥與變態(tài)反應(yīng)性皮膚病

2.1.1銀屑病(psoriasis) 是一種由免疫因素介導(dǎo)的慢性炎癥性皮膚病,IL-17/IL-23 軸在發(fā)病中起重要作用[13]。國內(nèi)有研究者證明[14,15]尋常型銀屑病患者血清IL-1β、IL-18水平升高,并且GSDMD和GSDMD-N在尋常型銀屑病患者皮損的表皮和真皮中表達(dá)均增高,但以表皮增高為主,這表明細(xì)胞焦亡相關(guān)細(xì)胞因子在銀屑病發(fā)病機制中可能發(fā)揮一定的作用。Deng等[16]在銀屑病患者使用環(huán)黃芪素(CDA)治療中,發(fā)現(xiàn)銀屑病的皮損處被大量巨噬細(xì)胞浸潤,這些巨噬細(xì)胞在銀屑病進展過程中會分泌許多促炎因子,包括 IL-1β、TNF-α 和 IL-6等。CAG明顯降低了巨噬細(xì)胞中咪喹莫特(IMQ) 觸發(fā)的 NLRP3 炎性體激活和 焦孔素D介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡,通過抑制NLRP3炎癥小體介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡來選擇性調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞功能,從而改善 IMQ誘導(dǎo)的銀屑病樣皮膚炎癥。這提示我們GSDMD也許可以成為銀屑病治療的新靶點。

2.1.2特應(yīng)性皮炎(atopic dermatitis,AD) 是一種慢性復(fù)發(fā)性炎癥性皮膚病,伴有瘙癢,有明顯的遺傳傾向。炎癥介質(zhì)的釋放、免疫的異常在AD中可能發(fā)揮了重要作用[17]。AD的先前表達(dá)是過敏性鼻炎(AR)和哮喘發(fā)展以及特異性致敏的先決條件,突出了表皮屏障在這些疾病發(fā)病機制中的重要性[18],AD、AR和哮喘是三種相互關(guān)聯(lián)的伴隨過敏性疾病,通常會從一種轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N。GSDMB 基因編碼來自焦孔素結(jié)構(gòu)域家族的焦孔素B,這些蛋白質(zhì)涉及與腫瘤發(fā)展和進展相關(guān)的各種細(xì)胞過程,例如分化、細(xì)胞周期控制和細(xì)胞凋亡[19]。Karunas 等[20]對GSDMB基因(RS7216389、RS2290400、RS2305480)的三個單核多態(tài)性(SNP)進行了薈萃分析,該研究涉及661名患有各種過敏性疾病(哮喘、AR和AD)的個體。結(jié)果顯示GSDMB基因SNP(rs7216389、rs2290400 和 rs2305480)與一般過敏性疾病發(fā)展的顯著關(guān)聯(lián),其中RS7216389和RS2290400與哮喘的發(fā)展有關(guān),rs2305480與過敏病理的組合形式——哮喘合并AR,哮喘合AR和AD有關(guān),但是RS7216389和RS2290400多態(tài)性與無哮喘癥狀患者組AR和AD發(fā)展的關(guān)聯(lián)尚未被揭示,由于目前國內(nèi)外關(guān)于GSDMB在AD中的研究還尚少,只能表明GSDMB與AD之間可能有著關(guān)聯(lián),GSDMB在AD中具體發(fā)揮的生物作用還需繼續(xù)深入研究。

2.2 自身免疫性皮膚病

2.2.1脫發(fā) 毛發(fā)的生長周期可以分為生長期、退行期和休止期。在毛囊干細(xì)胞(HFSCS)的支持下,毛囊在整個出生后的整個生命中都經(jīng)歷了反復(fù)的生長,消退和靜止期,所以毛囊干細(xì)胞的生態(tài)成分對維持毛囊的生物作用非常重要。Gsdma3基因的突變與瘢痕性脫發(fā)、角化過度、皮脂腺萎縮和角膜混濁有關(guān)[21],然而,皮膚炎癥的起源和原因是什么以及脫發(fā)是否由Gsdma3 突變小鼠的炎癥攻擊介導(dǎo)尚不完全清楚[22,23]。脫發(fā)中有11個表型(AE、BSK、DFL、FGN、M1BTLR、M2BTLR、MHDACLP1、RCO2、RE-DEN、RIM3和 RIKEN00745/+3)在GSDMA3突變小鼠系中可以觀察到[24]。Li等[25]使用組合的CRE/LOXP和RTTA/TRE系統(tǒng)來研究Gsdma3過表達(dá)對不同頭發(fā)周期階段的時空影響,發(fā)現(xiàn)Gsdma3介導(dǎo)的細(xì)胞死亡會影響頭發(fā)生長期啟動、進展和退行期-休止期轉(zhuǎn)變;誘導(dǎo)的Gsdma3表達(dá)會導(dǎo)致隆起內(nèi)層塌陷和毛囊干細(xì)胞早熟激活,導(dǎo)致隨后毛囊退化,這可能是Gsdma3突變小鼠脫發(fā)的原因。并且表明失調(diào)的Gsdma3導(dǎo)致隆起內(nèi)層壞死,以誘導(dǎo)毛發(fā)的脫落和立即進入生長期,而不經(jīng)過休止期。Swirski等[24]通過使用基因測序和組織學(xué)方法來評估Gsdma3中的一種新的 C 末端突變( C+/H-)對小鼠皮脂腺和皮膚形態(tài)以及內(nèi)眼瞼和角膜組織的瞼板腺的影響。發(fā)現(xiàn)C+/H-小鼠大約在1～2月時毛囊尚且存在,當(dāng)?shù)?～4月時,C+/H-小鼠皮膚上已經(jīng)沒有了毛囊和皮脂腺。這表明當(dāng)Gsdma3中的 C 末端突變時,C+/H-小鼠會表現(xiàn)出進行性脫發(fā)和皮膚皮脂腺退化,但目前還沒有在人的毛囊中有過研究,這或許會成為脫發(fā)治療的新靶點。

2.2.2系統(tǒng)性硬化癥(systemic sclerosis,SSC) 也稱為硬皮病,是一種原因不明的以局限性或彌漫性皮膚增厚和纖維化為特征的自身免疫性疾病,會影響皮膚和其他許多器官[26]。病變特點為血管和免疫功能障礙,最終導(dǎo)致皮膚硬化、血管缺血。除皮膚受累外,還可累及肺、心臟、腎臟、食管等多個器官[27]。Terao等[28]通過對日本和歐洲人群中的全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS)進行META分析,包含4436例病例和14751例對照。評估了重要的單核多態(tài)性 (SNP) 與相鄰基因之間的關(guān)聯(lián),對H3K4ME3(活性啟動子的代表性組蛋白標(biāo)記)進行了富集分析,并擴展了SSC易感基因列表。結(jié)果發(fā)現(xiàn)了GSDMA和PRDM1,它們都與免疫功能相關(guān)并且與其他自身免疫性疾病相關(guān),并且發(fā)現(xiàn)GSDMA中的RS3894194與系統(tǒng)硬化癥有著重大的關(guān)聯(lián)。Moreno等[29]對57名SSC患者和15名對照的單核細(xì)胞衍生巨噬細(xì)胞(MDM)進行了RNA測序和全基因組基因分型,結(jié)果表明RS3894194風(fēng)險變異對SSC易感性可以通過巨噬細(xì)胞中的GSDMA表達(dá)介導(dǎo),GSDMA在SSC MDMS中上調(diào)(P=8.4×10-4)但在皮膚中不上調(diào)。所以我們可以推測GSDMA的過表達(dá)可能會導(dǎo)致SSC細(xì)胞焦亡過程的失調(diào)。

2.3 腫瘤性皮膚病黑色素瘤是來源于黑色素細(xì)胞的一種高度惡性的腫瘤,多發(fā)生于皮膚,也可見于黏膜和內(nèi)臟,約占全部腫瘤的3%。GSDMC,最初是從小鼠黑色素瘤細(xì)胞中分離出來的,并從小鼠黑色素瘤細(xì)胞B16-BL6 cDNA文庫中獲得,也稱為黑色素瘤來源的含有亮氨酸拉鏈的核外因子,并且小鼠GSDMC的表達(dá)水平與B16黑色素瘤細(xì)胞系的轉(zhuǎn)移能力增加而增加[8]。GSDME,被認(rèn)為是一種腫瘤抑制因子[30],但它如何防止腫瘤發(fā)生以及為什么它在許多不同的癌癥類型中仍然是一個謎。近年來在對晚期黑色素瘤的患者的長期治療中取得了重大進展,如BRAF-MEK抑制劑組合與約33%的5年總生存率相關(guān)[31,32]。Smalley等[33]表明 BRAF-MEK抑制是通過焦孔素E裂解激活黑色素瘤細(xì)胞的焦亡,導(dǎo)致T細(xì)胞浸潤并改善體內(nèi)治療反應(yīng)。并且在作者的研究中證明了caspase-3介導(dǎo)的焦孔素E裂解在細(xì)胞焦亡中的作用,提供了BRAF抑制劑誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和細(xì)胞焦亡相關(guān)的免疫刺激之間的潛在聯(lián)系。為了測試GSDME是否具有腫瘤抑制活性,Rogers等[34]使用了黑色素瘤小鼠模型,其中向WT C57BL/6J小鼠皮下注射WT或GSDME-KO(敲除GSDME)B16-OVA黑色素瘤細(xì)胞,并隨著時間的推移監(jiān)測腫瘤生長。結(jié)果顯示GSDME-KO腫瘤的形成和生長速度明顯快于表達(dá)GSDME的腫瘤,證明GSDME是一種重要的新型線粒體成孔蛋白,它是通過從線粒體中釋放細(xì)胞色素C并激活內(nèi)在的凋亡途徑來增強凋亡途徑的激活,表明GSDME可能會抑制腫瘤的活性。GSDME還可以通過上調(diào)介導(dǎo)細(xì)胞焦亡的caspase-3增加了對化療耐藥的黑色素瘤細(xì)胞的藥物敏感性[35],這表明在未來的研究中,我們或許可以關(guān)注如何利用GSDME來預(yù)測對癌癥對不同療法的反應(yīng),并且針對一些特異性的途徑研發(fā)新藥。

3 焦孔素家族的未來研究展望

自從將焦孔素家族鑒定為細(xì)胞焦亡的效應(yīng)物以來,我們對這個新興的細(xì)胞死亡效應(yīng)物家族有了新的理解,細(xì)胞焦亡作為程序性細(xì)胞死亡的一種形式,對許多疾病都有影響。目前焦孔素家族在皮膚病中的研究還比較表淺,但由于皮膚病中的諸多病種又與其他內(nèi)外科疾病的病因及發(fā)病機制是有著交叉相關(guān)之處的,在許多疾病的研究中都已經(jīng)描述了焦孔素家族在調(diào)節(jié)各種生理病理中的作用,比如急性胰腺炎、結(jié)腸炎、過敏性鼻炎、膿毒血癥、肝癌、乳腺癌、心血管疾病等都有對焦孔素家族有著相關(guān)的報道。且目前已經(jīng)針對焦孔素家族的活動和功能提供了一些疾病治療的潛在策略,尤其是在感染、炎癥和腫瘤方面[36]。在未來的研究中,我們可以通過各種方法去結(jié)合焦孔素家族的功能來分析疾病,有助于我們識別特定的皮膚性病的臨床特征以及確定焦孔素家族在一些皮膚性病可能存在的治療靶點,進一步去深入了解炎癥性皮膚病、自身免疫性皮膚病腫瘤性皮膚病的機制和治療。