细胞焦亡： 细胞程序性死亡的一种特殊模式

邵碧莹 黄 浩

(福建师范大学生命科学学院/福建师范大学国家级生物学实验教学示范中心 福州 350117)

1 细胞死亡、细胞凋亡和细胞焦亡

细胞的种类繁多，其生命过程丰富多彩、长短不一。所有细胞的生命周期都包括两个重要环节： 一个是细胞分裂，延续生命活动；另一个则是细胞死亡，生命活动消失。对于包括人类在内的多细胞生物来说，细胞死亡并不意味着生命的终结，其重要性与细胞分裂与增殖等同，都为个体的正常生长发育所必需。

根据死亡细胞的形态特征、死亡途径和方式，以及是否可控等特点，可以将细胞死亡划分为细胞自噬(autophagy)、细胞坏死(necrosis)和细胞凋亡(apoptosis)三种模式。细胞自噬为真核细胞所特有，是细胞内物质成分和细胞器利用溶酶体或液泡进行降解的一种代谢机制，在进化上高度保守；细胞坏死长期以来被认为是一种被动的死亡方式，是由极端物理、化学因素或严重的生物性因素诱发的细胞死亡，其特征是混乱无序、难以逆转且不可控；细胞凋亡则被认为是一种由凋亡信号诱发的、主动有序的、可被调控的主动死亡方式[1]。

近年来，研究者发现了一种与炎症反应相伴的特殊的细胞程序性死亡方式——细胞焦亡(pyroptosis)。细胞焦亡在形态学上同时具有坏死和凋亡的特征： 发生焦亡的细胞会出现细胞核皱缩、外吐小泡、染色质DNA断裂、末端脱氧核苷酸转移酶介导的dUTP缺口末端标记测定法(terminal dexynucleotidyl transferase-mediated dUTP nick end labeling, TUNEL)染色阳性及膜连蛋白V(annexin V)染色阳性等细胞凋亡的特征。像坏死细胞一样，其细胞膜上会形成许多1～2 nm的小孔，使水得以进入细胞内部，导致细胞肿胀、细胞膜爆裂、内容物释放，即诱发炎症反应；释放白细胞介素-1β(IL-1β)和白细胞介素-18(IL-18)，进而募集更多炎症细胞，诱发级联放大的炎性反应[2]。这说明细胞焦亡对机体有抵御感染的积极作用，也有诱发病理性炎症的消极作用。近年，细胞焦亡相关研究逐渐成为细胞生物学领域的研究热点。

2 细胞焦亡的信号途径

研究发现，人和小鼠的细胞受到刺激时会通过不同的途径启动细胞焦亡程序。根据依赖的炎性含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteine aspartic acid specific protease, Caspase)的不同，细胞焦亡可分为经典和非经典途径。

2.1 经典细胞焦亡途径 在病原微生物刺激下，依赖Caspase-1的炎性小体将无活性的半胱氨酸蛋白酶-1前体裂解形成有活性的Caspase-1，进而诱导发生细胞膜穿孔、细胞溶解、死亡，胞内物质释放等一系列炎症反应现象；Caspase-1通过促进IL-1β和IL-18的成熟和分泌，募集更多炎症细胞，扩大炎症反应。这种依赖Caspase-1的细胞焦亡方式称为经典细胞焦亡途径[3]。炎性小体的形成是经典细胞焦亡途径的重要特征之一。

2.2 非经典细胞焦亡途径 研究表明，在受到脂多糖(LPS)刺激后，人的Caspase-4/5和小鼠的Caspase-11作为胞内受体与LPS直接结合而介导细胞焦亡进程，被称为非经典细胞焦亡途径[4]。需要指出的是，经典途径中的炎性小体虽然也参与到依赖Caspase-11的细胞焦亡途径中，但是Caspase-11的自身活化与细胞死亡并不依赖连接核苷酸寡聚化结构域样受体家族3(nucleotide-binding domain leucine-rich-containing family pyrin domain containing 3, NLRP3)和凋亡相关斑点样接头蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a caspase activation and recruitment domain, ASC)，因此炎性小体不是介导非经典细胞焦亡的必需条件。

3 细胞焦亡通路中的主要相关蛋白

主要介绍3类相关蛋白：

3.1 炎性小体 炎性小体家族的主要成员包括： NOD样受体(nodlike receptors, NLRs)、热蛋白和造血干扰素诱导核蛋白结构域蛋白(pyrin and hematopoietic interferon-inducible nuclear proteins domaintein, PYRIN)和黑色素瘤缺失因子2(absent in melanoma 2, AIM2)。ASC含有半胱天冬氨酸蛋白水解酶激活与募集结构域(caspase activation and recruitment domain, CARD)和热蛋白结构域(pyrin domain, PYD)，能够作为双重接头蛋白分子将半胱天冬氨酸蛋白水解酶原1(pro-cysteine aspartic acid specific protease-1, pro-Caspase-1)与炎性小体以桥梁形式连接起来。炎性小体由尿酸单钠和二氧化硅等内源性危险相关分子模式(danger-associated molecular patterns, DAMPs)和病毒病原体、细菌毒素及寄生虫等病原相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns, PAMPs)所触发。

炎性小体在细胞焦亡途径中起着重要的桥梁作用，即通过NLR蛋白响应上游信号分子，通过活化的Caspase-1将细胞焦亡信号传导到下游焦亡执行蛋白，最终出现细胞焦亡。

3.2 Caspase蛋白酶Caspase-1和Caspase-4/5/11 Caspase家族在细胞程序性死亡过程中发挥着重要作用，它是一组同源性很强、结构相似的蛋白酶，主要以酶原的形式广泛存在于细胞中。目前，在哺乳动物细胞中已发现的caspase蛋白酶家族成员有16种，其中Caspase-1与经典细胞焦亡途径相关，Caspase-4/5/11则与非经典细胞焦亡途径相关。

Caspase-1即IL-1转化酶(IL-1converting enzyme, ICE)是单核细胞合成的一种蛋白酶。它共有6种亚型(α、 β、 γ、 δ、 ε和ζ型)，均能介导炎性反应，并能在细胞死亡中发挥各自的作用。Caspase-1以无活性的酶原形式(pro-Caspase-1)存在于细胞质中。当细胞受到各种胞外病原体或胞内危险信号刺激时,细胞内会装配形成炎性小体,招募pro-Caspase-1,通过酶原自体水解生成两个亚基，并形成异二聚体，接着异二聚体又进一步组成四聚体,最终成为具有活性的Caspase-1[5]。

Caspase-4和Caspase-5是Caspase家族中同源性最高的两种蛋白酶，与Caspase-1的同源性也都高达50%，这三者都能剪切人白介素-1β前体(Pro-Interleukin-1β, pro-IL-1β)，Caspase-1特异切割效率最高，Caspase-4相对较弱，而Caspase-5识别剪切位点能力最差。Caspase-1在人体内可与Caspase-4、 Caspase-5在其他蛋白的参与下形成炎性小体；而在小鼠中与Caspase-1结合的则是Caspase-11。鼠源Caspase-11与人源Caspase-5两者氨基酸序列同源性高达54%，可能是相对应的同源物。

3.3 消皮素D 消皮素D(gasdermin D, GSDMD)是所有炎性 Caspase的共同底物，是细胞焦亡的直接执行者[6]。GSDMD被活化的炎性Caspase切割成具有N端(GSDMD-N)和C端(GSDMD-C)的结构域。GSDMD-N能特异性与细胞膜结合导致细胞膜穿孔，诱导细胞焦亡；而GSDMD-C则会与GSDMD-N产生结构自抑制，从而抑制细胞焦亡。

Shi等[7]采用CRISPR/Cas9基因编辑技术进行的研究发现，GSDMD的切割对于炎性Caspase的激活并引发细胞焦亡具有重要作用，证明了Gasdermin蛋白家族普遍具有诱导细胞焦亡的功能，并重新定义了细胞焦亡的概念。He等[8]证实，GSDMD是经典及非经典炎性反应中发生细胞焦亡及IL-1β分泌的必要条件，并且在GSDMD被消耗的情况下细胞焦亡被抑制，转而发生细胞凋亡。

4 细胞焦亡相关疾病

机体的免疫系统在正常情况下，能识别“自己”和“异己”，并在病原体侵入时能通过启动免疫应答实现清除“异己”，保护“自己”。细胞焦亡就是宿主细胞以“自杀”的方式应对病原体的一种重要的天然免疫反应。然而它也是一柄“双刃剑”，正常的免疫应答对机体是必要的，但是它也会对“自己”造成损伤，甚至可能因为“免疫过度”而引发相关疾病。

4.1 感染性疾病 细胞焦亡在病原体感染机体时可作为一种宿主的防御机制，这已经在许多由细菌、真菌及病毒引起的感染性疾病中得到证实。然而细胞焦亡的过度激活也会造成机体损伤。研究发现，CD4 T细胞感染人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus, HIV)后Caspase-1表达增加，IL-1β分泌增多引起细胞焦亡；而抑制Caspase-1能避免HIV感染更多健康的CD4 T细胞，这一发现为艾滋病的治疗提供了新的思路。

4.2 神经系统疾病 研究表明，中枢神经系统退行性病变类疾病(如阿尔茨海默症、帕金森综合征、运动神经元病等)的发展都有细胞焦亡参与。最近有研究发现，细胞外神经炎性斑内β-淀粉样蛋白(amyloid-β, Aβ)可以激活由NLRP1炎性小体介导的细胞焦亡引起神经元缺失及局部炎症反应，参与阿尔茨海默症的病程[9]；而通过抑制细胞焦亡可减少神经元缺失及认知障碍的加重。这些发现为阿尔茨海默症的治疗展现了新的策略。

4.3 动脉粥样硬化 炎性小体能激活并介导Caspase-1的活化，而动脉粥样硬化刺激物(如胆固醇晶体和高脂血等)都可激活巨噬细胞或内皮细胞中的Caspase-1。胆固醇晶体可激活人类巨噬细胞的NLRP3炎性小体，进而加快低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL)受体缺陷小鼠动脉粥样硬化的产生。氧化低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein, x-LDL)通过促进巨噬细胞Caspase-1的活化，诱导细胞裂解、DNA断裂及IL-1β和IL-18的生成。这些生成的促炎细胞因子和介质在动脉粥样硬化病程发展中能导致细胞焦亡[10]。

4.4 其他疾病 细胞焦亡机制主要在于内源性或外源性刺激作用于炎性小体如NLRP3，进而激活Caspase-1，改变细胞结构并释放炎性因子，最终导致伴有炎症反应的细胞死亡。研究证实，沉默NLRP3基因可阻断由Caspase-1介导的细胞焦亡，对糖尿病有较好的保护治疗效果。Wree等[11]利用NLRP3敲除小鼠模型，证明NLRP3炎性小体介导的肝细胞焦亡是肝脏损伤的一种新机制。Jesus等[12]通过实验表明，尿酸结晶可激活NLRP3炎性小体和触发IL-1β释放，且痛风患者滑膜尿酸水平与关节液中IL-1β和IL-18呈正相关。IL-1β阻断剂对痛风有明显疗效。此外，细胞焦亡在缺血/再灌注损伤引起的肾损伤及心肌梗死、急性肺损伤、代谢紊乱以及其他慢性疾病发展中都有重要作用。

5 结语

细胞焦亡是新近发现的一种促炎性、程序性细胞死亡方式。经典细胞焦亡途径依赖于Caspase-1的介导，非经典细胞焦亡途径依赖于Caspase-4/5/11的介导；炎性小体的活化是细胞焦亡的关键因素，GSDMD蛋白是细胞焦亡过程中的关键蛋白。细胞焦亡是机体的一种重要的天然免疫防御反应，在清除外源病原体感染和内源危险信号中均发挥重要作用。细胞焦亡参与多种疾病的发展进程。因此，对细胞焦亡的发生、激活及调控机制等的深入研究，将为相关疾病的治疗研究提供新的方向和有效靶点。