王 銳，付 萍

（昆明醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院風濕免疫科，云南 昆明 650000）

細胞死亡組成機體免疫應答的重要部分，是機體的一種保護機制，可以幫助機體清除內(nèi)源性和外源性傷害，從而維持組織正常機能和形態(tài)。細胞死亡的形成和機制是多種多樣的，研究者已經(jīng)逐漸發(fā)現(xiàn)了各種細胞死亡模式，例如凋亡，壞死，自噬，脹亡和焦亡[1]。細胞焦亡（pyroptosis）是近年來新發(fā)現(xiàn)的一種由半胱天冬氨酸蛋白酶（caspase）介導的程序性細胞死亡。它的特征在于細胞腫脹和破裂，細胞內(nèi)含物的釋放以及強烈的炎癥反應。細胞焦亡和各種疾病密切相關(guān)。本文綜述了細胞焦亡的定義、形態(tài)特征、分子機制，以探討細胞焦亡的調(diào)控機制，為治療細胞焦亡的相關(guān)疾病提供新途徑。

1 細胞焦亡的定義

細胞焦亡是近年發(fā)現(xiàn)并被證實的一種伴隨炎癥反應的細胞程序性死亡方式，與其他死亡方式不同，主要通過識別微生物和各種內(nèi)源性危險刺激，炎性caspase-1/4/5/11 被激活，GSDMD 裂解，膜上形成孔隙，細胞腫脹，質(zhì)膜破裂，伴隨釋放大量炎癥因子，擴大炎癥反應的過程[2，3]。Chen Y 等[4]首次報道了存在著caspase-1 依賴性細胞死亡方式。1999 年對沙門桿菌感染的巨噬細胞的研究也表明[5]，活化的caspase-1 可導致一種促炎癥形式的調(diào)節(jié)性細胞死亡，釋放大量促炎因子，與caspase-3、caspase-6、caspase-7 的激活無關(guān)；接下來，在被李斯特菌、嗜肺軍團菌、假結(jié)核耶爾森菌、銅綠假單胞菌等多種病原體感染的巨噬細胞中，也發(fā)現(xiàn)這種依賴caspase-1 的細胞死亡方式[3]。caspase-1 通過激活白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）和IL-18 的前體，促進IL-1β、IL-18 成熟并產(chǎn)生活性，IL-1β 成熟后參與免疫反應，發(fā)揮促炎癥介質(zhì)作用，將固有免疫細胞召募到感染部位和調(diào)節(jié)適應性免疫細胞，而IL-18 成熟后對于產(chǎn)生干擾素-γ 和增強自然殺傷細胞和T 細胞的溶解活性非常關(guān)鍵[6]。焦亡與凋亡之間的區(qū)別之一是誘發(fā)炎癥，并且焦亡與凋亡和壞死等其他細胞死亡方式在形態(tài)、機制和病理生理上也有顯著不同。Pyroptosis 一詞最早由Brennan MA 等[7]在2001 年提出，來定義這種獨特的伴隨促炎介質(zhì)釋放的細胞死亡方式。

2 細胞焦亡的特征

常見的細胞死亡分為凋亡和壞死。細胞凋亡是細胞主動有序的死亡過程，而不將細胞內(nèi)容物釋放到細胞外，可有效抑制炎癥。壞死由環(huán)境破壞引起，是細胞的被動和意外死亡，并導致炎性細胞內(nèi)容物不受控制的釋放。細胞焦亡像細胞凋亡一樣，它使細胞自殺，但是兩者又具備顯著的不同[8]：發(fā)生細胞凋亡的是未被病毒和細菌感染的正常細胞，而發(fā)生細胞焦亡的是那些被病毒或細菌感染的細胞；從形態(tài)學的觀點來看，細胞焦亡的明顯特征是胞膜完整性的破壞，胞內(nèi)容物的流出，類似于壞死，但與細胞凋亡不一樣，凋亡維持完整的細胞膜，胞質(zhì)不會外流；形成凋亡與焦亡的機制也不同，胞膜內(nèi)陷包裹胞內(nèi)容物，形成凋亡小體，細胞腫脹、胞膜受力不均造成焦亡[8，9]。隨著焦亡細胞膨脹，細胞核濃縮，染色質(zhì)DNA 斷裂，TUNEL 染色顯示出陽性，這與壞死和凋亡相同。但是細胞焦亡發(fā)生時，細胞膜上會形成小孔，使細胞膜的結(jié)構(gòu)完整性破壞，膜內(nèi)外的離子失去平衡，細胞內(nèi)滲透壓升高，水從孔隙中流入，細胞發(fā)生腫脹，細胞膜破裂，同時大量促炎因子，如IL-1β和IL-18 等細胞內(nèi)容物大量滲出，使周圍更多的炎癥細胞募集，導致一系列炎癥反應誘發(fā)[1]。發(fā)生焦亡的細胞膜迅速的破裂，伴隨釋放細胞內(nèi)容物和促炎介質(zhì)，明顯不同于凋亡及壞死。簡而言之，細胞焦亡是凋亡和壞死結(jié)合的一種新型細胞死亡方式。

3 細胞焦亡通路中的主要蛋白

3.1 炎性小體 炎性小體是一種多聚蛋白復合物，迄今為止，已有NOD 樣受體（NLRs），如NLRP1、NLRP3、NLRC4，AIM2 樣受體（ALR）和TRIM 家族成員Pyrin 等主要成員，在炎癥反應發(fā)生和維持中起關(guān)鍵作用[10]。在這些炎性體，NLRP3 炎性體被廣泛研究，因為NLRP3 炎性體失調(diào)可能會導致先天和獲得性炎癥疾病的發(fā)生發(fā)展[11，12]。NLRP3 屬于NLR 蛋白家族，廣泛存在于多種免疫細胞和非免疫細胞中，在人類中包括22 個成員，在小鼠中至少有34 個成員。活化后，NLRP3、凋亡相關(guān)斑點樣蛋白（ASC）及caspase-1 前體會聚集成一種多聚蛋白，稱為NLRP3 炎性小體。主要包含3 部分：羧基端含有亮氨酸重復序列，中段為核苷酸結(jié)合和寡聚化結(jié)構(gòu)域，氨基端為caspase 激活和募集域（CARD）或熱蛋白結(jié)構(gòu)域（PYD）；C 端被認為與識別刺激有關(guān)，用于配體感應和自身調(diào)節(jié)，中段是炎性體的核心部分，介導NLR寡聚化，N 端介導下游蛋白-蛋白質(zhì)相互作用[13，14]。信號傳輸由PYD 和CARD 組成的凋亡相關(guān)斑點樣蛋白（ASC）適配器銜接[15]。多種刺激物作為病原體相關(guān)分子模式和危險相關(guān)信號模式，使NLRP3 與ASC結(jié)合，招募無活性的前體caspase-1 形成NLRP3 炎性體，使caspase-1 活化，誘導促炎因子釋放，發(fā)生細胞焦亡[16]。NLRP3 炎性體能被一系列激動劑激活，包括ATP、細菌毒素、微生物產(chǎn)物、核酸、透明質(zhì)酸，以及真菌、細菌和病毒病原體[17]。隨后研究中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)微生物刺激物，如Toll 樣受體（TLR）配體和胞壁酰二肽，不是直接激活NLRP3 炎性體，而是通過結(jié)合引發(fā)NLRP3 炎性體激活[18]。NLRP1 炎癥小體只能識別炭疽致死毒素和胞壁酰二肽。NLRC4 炎癥小體僅由鞭毛蛋白和細胞壁酰二肽等PAMPs 激活。AIM2 屬于具有200 個氨基酸重復序列（HIN-200）的造血干擾素誘導性核蛋白[19]。ALR 家族的成員是I型IFN 誘導型蛋白，并且ALR 家族基因的數(shù)量在物種之間有所不同。人類中有4 個ALR 家族基因（AIM2，IFI16，PYHIN1 和MNDA），小鼠中有13 個基因（包括AIM2 和IFI202）[20]。AIM2 最初是從人黑素瘤細胞中分離出來的[19]。人AIM2 由1 個HIN-200域的C 端和1 個PYD 的N 端組成。正常情況下，AIM2 的pyrin 和HIN-200 結(jié)構(gòu)域形成分子內(nèi)復合物并保持自抑制狀態(tài)。感染后，C 末端的HIN-200 結(jié)構(gòu)域與雙鏈DNA 直接結(jié)合。AIM2 通過PYD 與ASC進行連接。在AIM2 的C 端HIN-200 結(jié)構(gòu)域中存在兩個相鄰的寡核苷酸/寡糖的結(jié)合[21]。AIM2 在細胞焦亡中的主要作用是識別病原體釋放的雙鏈DNA，然后與ASC 和Pro-caspase-1 組裝形成AIM2 炎性體。AIM2 沿著DNA 的長鏈寡聚化，幫助宿主防御細菌和病毒病原體[22]。AIM2 不僅識別由細菌破裂釋放的DNA，而且識別由病原體宿主細胞釋放的DNA。因此，AIM2 對外源DNA 和內(nèi)源DNA 都有反應[23]。炎性小體與多種炎癥疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，雖然目前研究很多，但其詳細的活化機制仍不清楚。

3.2 Caspase 家族 炎性半胱天冬氨酸蛋白酶（caspase）是一類進化相對保守的細胞內(nèi)蛋白酶家族，主要參與細胞死亡和炎癥反應。Caspases 不參與其他程序性細胞死亡，只在啟動細胞凋亡和焦亡中起重要作用[15]，參與細胞凋亡的半胱天冬氨酸蛋白酶（caspase-2/3/6/7/8/9/10）相關(guān)研究較多，caspase-3是凋亡的主要執(zhí)行者；而人鼠共有的caspase-1（人類caspase-4/5 及鼠類caspase-11）近年來被發(fā)現(xiàn)是一類炎癥性caspase，與細胞焦亡有關(guān)。炎性小體通過各種內(nèi)源性和外源性信號刺激激活caspase，活化的caspase 可快速形成直徑為1.1～2.4 nm 的質(zhì)膜孔，乳酸脫氫酶等胞內(nèi)物質(zhì)從細胞內(nèi)流出，細胞滲透壓改變從而腫脹破裂，細胞膜完整性的喪失使炎癥介質(zhì)釋放到細胞外環(huán)境，進而放大局部和全身炎癥反應，這是細胞焦亡發(fā)生的主要機制[24]。有研究顯示[3]，多蛋白復合物炎性小體介導caspase-1 的活化，炎性小體活化后，將caspase-1 前體分別裂解成為p10、p20 兩個亞單位，caspase-1 p20 介導前體IL-1β 和IL-18 的成熟，成熟的IL-1β 和IL-18 分泌到胞外，導致細胞焦亡[25]。雖然caspase 家族的成員在氨基酸結(jié)構(gòu)和序列上相似，但其生理作用上卻有很大差別，參與細胞焦亡的主要是caspase-1/4/5/11。

3.3 執(zhí)行蛋白GSDMD GSDMD 是一種含有Gasdermin 結(jié)構(gòu)域的打孔蛋白，大小約為53 ku。GSDMD 不能被凋亡相關(guān)的caspase3/7/8 切割，而炎性caspase1/4/5/11 能促進GSDMD 的激活和N 端裂解釋放。未受刺激時，其活性功能因C 端與N 端結(jié)合而被抑制，因此全長GSDMD 是不活躍的。GSDMD 被活化后的炎性caspase 切割后，形成兩個結(jié)構(gòu)域，22 ku 的C 端和31 ku 的N 端[26]?；罨蟮腉SDMD-N端片段易位至細胞膜，通過特異性結(jié)合細胞膜上磷酸化磷脂酰肌醇，發(fā)生寡聚化，在細胞膜上打孔，形成孔道，可以允許IL-1β 和IL-18 以及其他細胞內(nèi)容物通過該孔道，滲透壓改變，促進水分內(nèi)流，引起局部細胞腫脹，使細胞膜裂解[27]，進一步誘導細胞焦亡。由此可知，只有N 端被激活后才能發(fā)生細胞焦亡。有文獻報道[28]，GSDMA3 和GSDMA 的N 端與GSDMD 的N 端相似，同樣可以結(jié)合脂質(zhì)，參與孔隙形成，進而破壞細胞膜完整性。這可能提示Gasdermin 家族的蛋白有相似的成孔活性從而執(zhí)行細胞焦亡，將來可以定義為Gasdermin 介導的程序性細胞死亡[29]。GSDMD 是導致細胞焦亡的關(guān)鍵蛋白，也是主要執(zhí)行者，通過活化后的N 端在細胞膜上打孔引發(fā)細胞焦亡。

4 細胞焦亡的信號機制

根據(jù)細胞受到的刺激不同可誘發(fā)的不同的細胞焦亡途徑，人和鼠都存在經(jīng)典途徑和非經(jīng)典途徑這兩種方式的細胞焦亡，經(jīng)典炎性小體途徑依賴于caspase-1 的活化，非經(jīng)典炎性小體途徑是由于小鼠caspase-11 活化以及人類的caspase-4 和caspase-5活化引起的[15]。序列分析表明，人caspase-1 和鼠caspase-1 是直系同源物，而人caspase-4 和5 起源于小鼠caspase-11，因此，鼠caspase-11 與人類細胞中的caspase-4 和caspase-5 有同樣的功能。細胞焦亡中的炎癥性caspase 被炎性體激活。經(jīng)典途徑中，一系列微生物刺激和內(nèi)源性危險信號被不同的細胞質(zhì)傳感器蛋白檢測到，這些蛋白通過銜接蛋白招募前caspase-1 單體，并通過二聚體活化caspase-1，介導細胞焦亡[30]。非經(jīng)典途徑中，細菌脂多糖可以直接被caspase-4，caspase-5 和caspase-11 識別[31]，結(jié)合后可以觸發(fā)caspase-11 的寡聚化和活化，切割GSDMD，GSDMD-N 結(jié)構(gòu)域在脂質(zhì)膜上形成孔并通過細胞膜破壞引發(fā)細胞焦亡，導致疾病發(fā)生發(fā)展。但脂多糖如何特異性結(jié)合caspase-11，人caspase-4 和caspase-5 的CARD 結(jié)構(gòu)域，而不是其他caspase 的CARD 結(jié)構(gòu)域目前尚不清楚。

5 總結(jié)

細胞焦亡是一種依賴炎性caspase 的細胞死亡類型，其特征是膜孔形成、細胞腫脹、質(zhì)膜破裂和細胞內(nèi)物質(zhì)釋放。caspase-1/4/5/11 參與細胞焦亡，并被各種入侵病原體和內(nèi)源性刺激等特異性炎性小體激活。炎性小體直接激活caspase-1，caspase-1 裂解GSDMD 并激活proIL-1β 和proIL-18，通過經(jīng)典細胞焦亡信號途徑將IL-1β 和IL-18 從細胞質(zhì)分泌到外界環(huán)境。在非經(jīng)典途徑中，caspase-11/4/5 識別并結(jié)合細菌脂多糖，導致GSDMD 裂解和炎性物質(zhì)釋放，引發(fā)細胞焦亡。細胞焦亡廣泛參與到各種疾病中，且發(fā)揮重要作用。細胞焦亡是一把雙刃劍，適度的細胞焦亡有助于細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，可以有效防止細胞過度增殖，從而保護宿主。但是在某些條件下激活過度，不僅不能控制炎癥反應，反而引起相關(guān)疾病，甚至威脅到生命。目前針對細胞焦亡的研究有限，還需要深入探索許多機制。所以，加深了解細胞焦亡的分子機制可以幫助我們解釋其在疾病中的作用以及如何將這些機制轉(zhuǎn)化為治療產(chǎn)生長期影響。