细胞焦亡-促炎的细胞程序性死亡方式
2020-06-15 
MCE小分子
在多细胞生物体中，细胞死亡是发育、体内稳态和免疫调节的关键过程，其失调与多种病理相关。继细胞凋亡之后越来越多的细胞程序性死亡 （PCD） 被发现，并且用于各类疾病的研究。今天，我们要说的便是一种促炎症的 PCD——细胞焦亡，为什么说它是促炎症的过程呢？它和其它的 PCD 有什么区别呢？
程序性细胞死亡 （Programmed cell death, PCD） 是多细胞生物中，由基因调控的细胞自杀过程，对多细胞生物的发育、体内稳态和完整性至关重要。PCD 的研究涉及多个领域，如免疫、神经系统发育、癌症、感染等。常见的 PCD 有细胞凋亡 （Apoptosis）、自噬 （Autophagy） 和焦亡 （Pyroptosis），以及近年发现的铁死亡 （Ferroptosis） 。
图 1. 细胞死亡分类[2]
细胞焦亡 （Pyroptosis） 是一种促炎症的调节性坏死 （Regulated necrosis） 方式。细胞焦亡通常在细胞内病原体 （Intracellular pathogens） 感染时发生，例如单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞被一系列微生物病原体 （如 Salmonella, Francisella, Legionella） 感染后，发生半胱氨酸蛋白酶 Caspase-1 依赖性细胞焦亡。此外，一些损伤相关的分子模式 （DAMPs） 也会引起非巨噬细胞的焦亡。
细胞焦亡机制
细胞焦亡主要有两种分子机制： 经典的 Caspase-1 依赖性和非 Caspase-1 依赖性途径，这两种机制的焦亡都会导致促炎症细胞因子 IL-1β 和 IL-18 释放 （图 2），扩大局部或全身的炎症。
图 2. 细胞焦亡的机制 （点击查看大图）[3]
（左） Caspase-1 依赖性细胞焦亡；（右） 非 Caspase-1 依赖性细胞焦亡
在了解细胞焦亡机制之前，我们需要先认识两种重要组分： 炎症小体 & Gasdermin D。
炎症小体 （Inflammasome）： 一般是由上游感受器蛋白，即模式识别受体 PRR，和衔接蛋白 ASC 以及下游的 Caspase-1 组成的复合物 （图 3），其中 PRR 能识别病原体入侵诱导的某些病原相关分子模式 PAMPs 和损伤相关分子模式 DAMPs。PRR 家族包括 Toll-样受体 （TLRs）、NOD-样受体和 AIM2 等成员，经典的炎症小体亚型的感受器包括 NOD-样受体 （NLRP1, NLRP3, NLRC4） 、AIM2 或热蛋白结构域 PYD，在识别 PAMPs 或 DAMPs 后活化 Caspase-1。
图 2. NLRP3 和 NLRC4 炎症小体亚型的单体结构[10]
LRR: 富含亮氨酸重复序列；NBD: 核苷酸结合和寡聚结构域 ；PYD: 热蛋白结构域；CARD: Caspase 激活和募集域结构域 CARD
Gasdermin D （GSDMD）： 焦亡中炎症 Caspase-1/4/5/11 的直接底物。GSDMD （53 kDa） 被 Caspase-1/4/5/11 裂解产生一个能启动焦亡的 N-末端片段 （ GSDMD-NT, 31 kDa） 和一个功能未知的 C-末端片段 （GSDMD-CT, 22 kDa）。GSDMD-NT 与细胞膜内小叶结合，并构成直径 10-33 nM 的孔。GSDMD-NT 也驱动 NLRP3-依赖性 Caspase-1 炎症小体的激活，这可能要求 GSDMD 诱导形成的孔隙并引起钾外排。
Caspase-1 依赖性细胞焦亡 （图 2. 左）： 以 NLRP3 途径为例，某些 PAMPs 或 DAMPs 激活炎症小体感受器后，触发 ASC 和 Caspase-1 募集形成大分子复合物，在复合物中 Caspase-1 被激活 。激活的 Caspase-1 直接裂解 GSDMD 和前体细胞因子 pro-IL-1β 和 pro-IL-18，引发焦亡，并促使 IL-1β 和 IL-18 成熟。裂解的 GSDMD-NT 在细胞膜上形成孔，介导细胞质内容物 （Contents） 的释放。炎症小体感受器 NLRC4 与 NLRP3 不同之处在于 NLRC4 直接含有 CARD 结构域，可以直接与 Caspase-1 相互作用 （图 3）。
非 Caspase-1 依赖性细胞焦亡 （图 2. 右）： 人细胞中的 Caspase-4 或 Caspase-5 或小鼠细胞中的 Caspase-11 识别细胞溶质中的 LPS，这些炎性 Caspase 直接裂解 GSDMD 并引发焦亡。此外，GSDMD-NT 还能激活 NLRP3 炎症小体及 IL-1β 和 IL-18 的 Caspase-1 依赖性成熟。
除了以上两种主要的细胞焦亡机制外，最近的研究还发现了一种新的焦亡途径： 特定的刺激导致 Caspase-3 的激活 （原本 Caspase-3 是凋亡的底物），Caspase-3 诱导 Gasdermin E （GSDME） 的裂解为 C-末端片段 （GSDME-CT） 和 N-端片段 （GSDME-NT）。GSDME-NT 也参与了膜孔的形成，导致细胞焦亡。
细胞焦亡与其他常见 PCD 的区别
细胞凋亡 （Apoptosis）： Caspases 依赖性的经典 PCD。凋亡细胞受控地分裂成凋亡小体，随后被周围的细胞和吞噬细胞识别和吞噬。在凋亡和焦亡中， Caspases 都发挥了重要的作用，
自噬性细胞死亡/自噬 （Autophagy-dependent cell death/Autophagy）： 自噬体和自噬溶酶体的分解代谢过程，是细胞应激的重要保护机制，也是维持稳态的高度保守过程。关于自噬
铁死亡 （Ferroptosis）： 近年来发现的一种铁依赖性的 PCD，区别于细胞凋亡、细胞坏死、细胞自噬。
表 2. 几种 PCD 对比 （点击查看大图）[13]
细胞焦亡相关疾病
细胞焦亡是机体重要的免疫反应，和感染性疾病、心血管疾病、神经系统相关疾病、肿瘤密切相关。
细胞焦亡与感染： 病原体感染时，焦亡作用作为宿主防御机制，通过消除受损细胞，从而消除病原体，抵御感染，同时引发炎症反应。研究表明，多种细菌感染，包括弗氏志贺菌 （Shigella flexneri） 、沙门氏菌 （Salmonella）、单核细胞增生利斯特菌 （Listeria monocytogenes） 和嗜肺军团菌 （Legionella pneumophila） 都能导致细胞焦亡发生。
细胞焦亡与心血管疾病： 近年来的研究表明，焦亡与动脉粥样硬化、心肌梗死、糖尿病性心肌病、再灌注损伤和心肌炎等心血管疾病的发病机制有关。例如，在早期的动脉粥样化形成中，内皮细胞的焦亡可能促进单核细胞招募进入内膜以及血管炎症；在晚期动脉粥样硬化病变中，巨噬细胞的焦亡可能促使坏死核心的形成和血小板不稳定。还有研究表明，心肌梗死期间心肌细胞的损伤与焦亡有关。
细胞焦亡与神经系统疾病： 焦亡与中枢神经系统疾病如脑血管病、阿尔茨海默病和癫痫有关。例如阿尔茨海默病，其主要病理改变是细胞外神经炎斑块中 β-淀粉样蛋白 （Aβ） 的沉积干扰神经膜功能，导致钾离子从神经元中流出，激活 NLRP1，引发焦亡。
细胞焦亡与代谢性疾病： NLRP3 炎症小体在焦亡中起着重要作用，而 NLRP3 的激活可能与糖尿病的发生，发展及其相关并发症有关。
细胞焦亡与肿瘤： 近年来有研究发现，焦亡作用可影响肿瘤的增殖、侵袭和转移，并受到一些非编码 RNA 等分子的调控。
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