廖明星，李仁燕，2，*

(1.國家衛(wèi)生健康委出生缺陷與生殖健康重點實驗室，重慶市人口和計劃生育科學技術研究院，重慶 400020；2.長沙醫(yī)學院中醫(yī)藥農業(yè)生物基因組學湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410219)

鎘是一種非必需重金屬微量元素，體內鎘過量蓄積可嚴重影響機體健康。電鍍、顏料、鎳鎘電池及采礦、冶煉、精煉等工業(yè)，排出含鎘的廢氣、廢水、廢渣等[1]，污染空氣、水、食物及土壤[2]。通過呼吸、飲水、進食等方式進入人體，在人體內半衰期可長達10～30 年[3]，鎘與人類多種疾病的發(fā)生密切相關，如疼痛病、神經退行性疾病[4]、癌變[5]和腎臟損害[6]等。鎘主要在肝臟代謝和儲存，與肝臟分泌的金屬硫蛋白結合，通過血液循環(huán)，運輸至其他靶器官[7]，對多個組織、器官產生毒性[8]。鎘致組織器官毒性的主要機制包括引起氧化應激、DNA損傷后再修復能力下降等，從而導致表觀遺傳學變化及基因表達改變[9]。

細胞焦亡是一種新的程序性細胞死亡，表現(xiàn)為細胞不斷脹大，直至細胞膜破裂，細胞內容物釋放，進而引起強烈的炎癥反應。近年來，大量研究表明鎘可通過各種途徑誘導細胞焦亡的發(fā)生，并導致組織器官毒性[10-12]。因此，本文對細胞焦亡形成和鎘調節(jié)細胞焦亡分子機制的最新研究進展進行綜述，以期為探討鎘對人體健康的影響提供新的思路。

1 細胞焦亡的形成及發(fā)生機制

1.1 細胞焦亡的發(fā)現(xiàn)

1986 年Friedlander[13]首次發(fā)現(xiàn)，利用炭疽致死毒素處理小鼠巨噬細胞，細胞膜破裂，迅速釋放內容物，導致細胞大面積死亡。1992年Zyclinsky等[14]發(fā)現(xiàn)感染革蘭氏陰性菌小鼠的巨噬細胞大量死亡。這些由細菌感染導致巨噬細胞的死亡，依賴于含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶caspase-1，而不是由DNA降解所依賴的caspase-3引起細胞凋亡[15]。為了區(qū)分這種新的細胞死亡方式，將細胞被細菌等感染后caspase-1 激活、促炎因子釋放，從而使細胞腫脹、破裂和死亡的現(xiàn)象命名為“細胞焦亡”[16-17]。細胞焦亡的發(fā)生依賴于炎性caspases，由caspase-1介導的是細胞焦亡的經典途徑，由人源caspase-4/5 或鼠源caspase-11介導的為細胞焦亡的非經典途徑[18-19]。

1.2 細胞焦亡的經典途徑

當細胞受到外界微生物(如細菌)感染時，模式識別受體(pattern-recognition receptor，PRR)被激活，并識別病原體相關分子模式、機體細胞釋放的危險相關分子模式和損傷的雙鏈DNA(double stranded DNA，dsDNA)等，啟動炎癥小體復合物組裝，激活caspase-1，進而對IL-1β、IL-18 前體和膜穿孔蛋白Gasdermin D(GSDMD)進行切割，形成具有活性的GSDMD-N端和自抑制的GSDMD-C端。GSDMD-N端通過與膜內脂質組分結合，在膜上寡聚形成孔隙，導致膜形狀發(fā)生改變，包括起泡、膨大和細胞膜破裂，細胞膜因完整性喪失而導致細胞膜內外滲透壓紊亂，炎癥因子通過孔洞釋放至膜外[20]，導致炎癥反應[21]，進而促進DNA降解，核濃縮，細胞器如線粒體、溶酶體被破壞等[22]。其中PRR 主要包括黑色素瘤缺乏因子2(absent in melanoma 2，AIM2)、NOD 樣受體pyrin 結構域相關蛋白3(NOD-like receptor family pyrin domain containing 3，NLRP3)、NLRP1、NOD 樣受體CARD 結構域相關蛋白4(NOD-like receptor family CARD domain containing 4，NLRC4)等[23]。不同的PRR 所感受的刺激也有所不同，如AIM2 主要識別細胞質中的dsDNA[24]，NLRP3主要識別細菌成孔毒素、尼日利亞霉素、ATP、顆粒物等成分[25]，NLRC4 主要識別細菌的鞭毛蛋白和Ⅲ型分泌系統(tǒng)等成分[26]。

1.3 細胞焦亡的非經典途徑

細胞焦亡的非經典途徑主要由脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)直接激活人的caspase-4/5 和小鼠的caspase-11，進而介導細胞焦亡[27]。以caspases 作為直接受體，感知病原體如LPS 編碼的分子，并進行自寡聚和自激活，對GSDMD 進行切割，使其形成對細胞膜有成孔活性的GSDMD-N 端[28]，從而促進非經典途徑的細胞焦亡發(fā)生。

1.4 細胞凋亡與焦亡的相互轉換

細胞凋亡是機體自主進行的一種有序的或程序性細胞死亡方式，以維持自身平衡，是胚胎發(fā)育、組織穩(wěn)態(tài)和機體穩(wěn)定等不可缺少的正常生理過程，其形態(tài)特征主要是染色質固縮、核濃縮和核DNA斷裂等，最終會被巨噬細胞清除[29]。細胞凋亡不引起炎癥、細胞膜破裂及細胞內容物釋放。細胞凋亡與焦亡是兩種獨立的細胞程序性死亡方式，但研究表明，兩者之間存在分子機制上的內在聯(lián)系[30]。如二者均需caspases 的參與，其中caspase-2/3/8/9 主要參與細胞凋亡，而caspase-1/4/5/11 主要參與細胞焦亡，但兩種細胞死亡途徑也可以相互轉化。一方面細胞凋亡相關因子可以誘導細胞焦亡，比如巨噬細胞感染耶爾森氏桿菌后，受體蛋白能促進caspase-8 對GSDMD 和GSDME 的切割并激活，從而引起細胞焦亡[31-32]。在癌細胞中，腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor alpha，TNF-α)可促進caspase-8對GSDMC 的剪切，形成GSDMC-N 端，并在細胞膜上寡聚成孔，誘導細胞焦亡發(fā)生[33]。Wang 等[34]在使用化療藥物時發(fā)現(xiàn)，高表達GSDME 的細胞中，caspase-3 可將TNF-α所誘導的細胞凋亡轉變?yōu)榧毎雇?。同時，在肺癌A549 細胞中，紫杉醇和順鉑通過激活caspase-3，促進GSDME 剪切，并誘導細胞焦亡[35]。另一方面細胞焦亡相關因子也可以誘導細胞凋亡，如caspase-1 雖然是細胞焦亡經典途徑中關鍵效應分子，但在GSDMD 缺失或低表達的情況下，caspase-1 被證明可以激活caspase-3/7所誘導的細胞凋亡[36]，當敲除caspase-1后，將明顯降低腎小管細胞的凋亡[37]。由此可見caspases 家族參與調控細胞凋亡和焦亡的相互轉化，并在很大程度上取決于GSDM蛋白水平[31]，然而二者相互轉化的分子機制，仍需繼續(xù)探索。

2 鎘與細胞焦亡

細胞焦亡是各種刺激物觸發(fā)炎癥小體激活的一種細胞程序性死亡方式，鎘是這種刺激物之一。鎘誘導組織中多種促炎細胞因子表達水平上升，而細胞焦亡本質上就是促炎反應。因此，鎘可能主要通過誘導細胞焦亡，從而啟動或促進組織發(fā)生炎性病理變化。鎘誘導氧化應激的發(fā)生，增強細胞中蛋白質、脂質和DNA 的氧化，導致DNA 損傷和腫瘤生長等[38-39]。同時，鎘誘導產生的活性氧(reactive oxygen species，ROS)還可通過激活NLRP3或AIM2炎癥小體，促進細胞焦亡的發(fā)生。

2.1 鎘通過ROS激活NLRP3炎癥小體誘導細胞焦亡

鎘主要通過誘導ROS致組織細胞毒性，而ROS作為NLRP3激活劑的第二信使，可激活炎癥小體[40]，促進細胞焦亡的發(fā)生。既往研究表明，用鎘處理血管內皮細胞[41]、腎小管上皮細胞[42]、淋巴內皮細胞[43]或脾臟淋巴細胞[10]等，均發(fā)現(xiàn)鎘使細胞產生大量的ROS，激活NLRP3 炎癥小體，促進細胞焦亡的發(fā)生，最終導致組織器官毒性。此外，用鎘與鉬聯(lián)合處理鴨腎小管上皮細胞，引起上皮細胞的氧化應激，且通過ROS/PTEN/PI3K/AKT 軸協(xié)同，上調NLRP3 mRNA 和蛋白的表達水平，觸發(fā)焦亡[44-45]。

鎘除了在細胞層面上能引起細胞焦亡的發(fā)生，在一些動物模型中也觀察到了鎘處理引起細胞焦亡的現(xiàn)象。如Chen 等[11]對4周齡雄性小鼠，分別用氯化鎘(cadmium chloride，CdCl2) 2或7 mg/kg灌胃，在4和8周后進行檢測，結果顯示，鎘通過下調抗氧化反應蛋白Nrf2和上調其負反饋調控因子Keap1抑制抗氧化通路，同時發(fā)現(xiàn)NLRP3、ASC、caspase-1、GSDMD、IL-1β以及IL-18 的表達增加，促進了甲狀腺濾泡細胞的焦亡，從而破壞甲狀腺組織結構和內分泌功能。另外還有研究報道，鎘和鉬聯(lián)合處理，可通過抑制Nrf2 介導的腦組織抗氧化反應，進而促進細胞焦亡的發(fā)生[46]。

2.2 鎘通過ROS激活AIM2炎癥小體誘導細胞焦亡

研究表明，過量的ROS不僅會激活NLRP3炎癥小體，還會引起DNA 損傷，損傷的dsDNA 能直接與AIM2 結合，促進AIM2炎癥小體的激活[47]。Zhou等[12]對8周齡雄性小鼠腹腔注射0、1、3 mg/kg CdCl2，連續(xù)注射7 d后發(fā)現(xiàn)3 mg/kg CdCl2顯著增加睪丸組織中ROS 含量和DNA 損傷水平，同時AIM2 的mRNA表達水平上調，NLRP3的mRNA表達降低，以及焦亡相關因子GSDMD、GSDME、caspase-1、ASC和IL-1β的蛋白表達上調。上述結果表明，鎘通過誘導產生過量的ROS，導致DNA損傷明顯增加，激活AIM2 信號通路，從而誘導睪丸組織細胞焦亡。

2.3 抗氧化劑可拮抗鎘誘導的細胞焦亡

既往研究發(fā)現(xiàn)，使用抗氧化劑，可有效減緩鎘誘導的細胞焦亡。Xing 等[48]發(fā)現(xiàn)鎘可引起雞肝臟中NLRP3、caspase-1、IL-1β和IL-18 表達上調，同時發(fā)現(xiàn)硒可通過增加硒蛋白的表達，發(fā)揮抗氧化作用，使鎘誘導的雞肝臟細胞焦亡現(xiàn)象減少，其中硒蛋白與焦亡相關蛋白的表達呈負相關。Feng 等[49]以1 mg/kg 鎘處理家兔30 d 后，發(fā)現(xiàn)家兔心臟細胞焦亡發(fā)生率升高，當用0.5 mg/kg 劑量硒共同處理，能顯著改善家兔心臟細胞焦亡現(xiàn)象的發(fā)生，組織病變不明顯，并能改善心臟功能。另外ROS抑制劑二苯碘銨可有效阻斷巨噬細胞NLRP3炎癥小體的激活，進而抑制細胞焦亡的發(fā)生[50]。但二苯碘銨是否可抑制鎘誘導的NLRP3炎癥小體的激活，相關研究尚未見報道。

3 小結與展望

鎘引起的環(huán)境問題日益受到廣泛關注。盡管鎘誘導細胞焦亡的研究已取得一些進展，但其觸發(fā)因素、啟動機制、生理功能以及是否有其他炎癥因子或其他信號通路的參與等方面的研究，仍有待進一步探索與證實。隨著對鎘與細胞焦亡分子機制的研究，將更深層次地闡釋鎘毒性機制，為治療和預防鎘中毒提供新的思路。