细胞焦亡与临床疾病及其相关信号通路①

伊宏煜 王 涛 谷孙泽栋 陈丽华 连建奇

(空军军医大学唐都医院传染科，西安710000)

2001年Brennan等[1]首次发现了一种由caspase1介导的细胞程序性死亡现象，并将其定义为“细胞焦亡(Pyroptosis)”，从而把这种具有促炎和细胞溶解性质的新型细胞程序性死亡途径同细胞凋亡、坏死区分开来。

通常意义上来说，细胞焦亡是机体对于感染的一种免疫防御机制。然而，过度的细胞焦亡所引起的异常炎性反应和免疫细胞的大量死亡可能会导致宿主免疫功能的严重损害甚至有发生自身免疫性疾病和败血症的可能。所以对细胞焦亡进行深入的研究有助于进一步阐明相关疾病的发病机制，并为探索新的治疗策略提供理论和实验依据。

1 细胞焦亡过程

细胞焦亡是细胞在细菌、真菌、病毒感染等条件下，以巨噬细胞为代表的一系列细胞内的重要模式识别受体分子(即炎症小体)-AIM2、NLRC4、NLRP1、NLRP3等开始活化，它们可直接或者间接在凋亡相关斑点样蛋白(Apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD,ASC)的协助下募集并活化caspase1，活化后的caspase1促使炎性因子IL-1β和IL-18前体的成熟并释放出胞；与此同时细胞膜表面开始形成微孔[2]，膜内外离子和水分子经过微孔的流动形成胞内外渗透梯度，继而导致细胞胀破发生溶解性死亡，此时细胞内具有免疫活性的ATP、人高迁移率族蛋白1(HMGB1)以及IL-1α等物质大量释放，诱导产生一系列的炎性反应。有趣的是，破裂的细胞也使得潜藏在胞内的病原体重新暴露于宿主免疫环境，从而促进了中性粒细胞等吞噬细胞对病原体的清除作用[3]。

2 细胞焦亡的识别机制

在细胞焦亡的发生过程中，炎症小体对焦亡信号的识别作用是发生焦亡的重要起始阶段。而要清晰地了解这一过程，首先要熟知固有免疫对于异己的识别机制。

传统意义上来说，固有免疫系统是通过细胞内外的一系列模式识别受体(Pattern recognition receptors，PRRs)来识别多种细菌、病毒、真菌以及其他类型病原体和毒素形成的病原体相关分子模式(Pathogen-associated molecular patterns,PAMPs)，从而清除入侵的病原体。目前已知的模式识别受体主要由胞外型(如Toll样受体、C型凝集素样受体)和胞内型NOD样受体、热蛋白(Pyrin)以及AIM2样受体组成，而炎症小体则主要是由上述胞内的PRRs组成的复合物[4]。当机体处于感染状态时，胞外的病原体可直接被巨噬细胞内吞或通过胞外PRRs识别作用入胞，此时位于胞内的炎症小体活化并感知识别相应焦亡信号，触发一系列焦亡反应的发生。

除了上述的感染因素外，某些损伤性疾病如脑外伤患者体内损伤细胞释放的危险信号分子(Damage associated molecular pattern,DAMPs)同样能被炎症小体识别而触发细胞焦亡[5]。

2.1 炎症小体 目前已发现的细胞焦亡相关炎症小体主要有AIM2、NLRP1、NLRC4和NLRP3等，不同炎症小体的构成及所能识别的焦亡信号都有差异。

2.1.1 AIM2/IFI16 AIM2属于ALRs(AIM2-like receptors,ALRs)家族成员，它由HIN-200结构域和热蛋白结构域(Pyrin domain,PYD)构成。AIM2可以识别包括产单核细胞李斯特菌、弗朗西斯菌以及巨细胞病毒在内的多种胞内病原体的双链DNA[6]，随后通过PYD结构域与ASC的相互作用，募集前体caspase1，诱发焦亡和IL-18、IL-1β的成熟释放。

人的AIM2又称为IFI16，近来有研究发现IFI16能够识别HIV逆转录合成的ssHIV DNA，诱导AIDS患者体内CD4+T细胞发生焦亡，这为AIDS患者体内CD4+T细胞数量减少现象又提供了新的解释[7]。有报道称，AIM2也可以识别宿主自身的双链DNA，从而提高某些自身免疫性疾病如SLE的发生风险[8]。

2.1.2 NLRP1 NLRP1是较早发现的NLRs(Nod-like receptors,NLRs)家族的炎症小体，宿主细胞内炭疽致命毒素(LeTx)、鼠弓形虫[9]以及胞壁酰二肽(MDP)在内的多种菌体成分都可激活NLRP1。该炎症小体的两端分别由PYD结构域和caspase招募结构域(Caspase activation and recruitment domain，CARD)组成，中间则由富含亮氨酸的重复序列(LRR)、核苷酸结合寡聚化结构域(NACHT)以及对其活化十分重要的具有催化自我切割功能的FIIND结构域组成[10]。

研究发现，人类NLRP1有NLRP1a、b、c三种鼠系同源体，这三种鼠源性NLRP1有着很强的种属多样性，它们与人类的NLRP1有诸多不同。在LeTx的作用下，鼠源NLRP1b的某些同源变异被激活[如Mouse Nlrp1b Allele-5 (CAST)、Mouse Nlrp1b Allele-1 (BALB,129)等]，同时LeTx能够切割NLRP1b的N端结构，使其活化并触发焦亡。而人的NLRP1则不会发生该变化[11]。

2.1.3 NLRP3 NLRP3同属于NLRs家族，研究表明，此炎症小体参与了包括HIV、自身免疫疾病在内的多种疾病的病理生理过程，是目前研究相对较多的一类炎症小体。目前已知，可引起胞内NLRP3激活的途径主要有三种：①胞外的ATP能够促进P2X7和pannexin1通道开放，触发钾离子流出的同时胞外的PAMPs经pannexin1通道流入胞质，直接活化NLRP3[12]。②吞噬入胞的β淀粉样蛋白、石棉、明矾、二氧化硅等物质会破坏吞噬溶酶体稳定性，通过组织蛋白酶B等吞噬溶酶体内容物的释放活化NLRP3[13,14]。③活性氧(ROS)和线粒体功能失调也介导了NLRP3的活化[15]。目前已知，NLRP3的活化主要存在两个主要过程，包括NF-κB介导的NLRP3、前体IL-1β的合成和NLRP3脱泛素、ASC泛素化和磷酸化等翻译后修饰作用在内的起始过程，以及NLRP3的精确组装过程[16]。

2.1.4 NLRC4 NLRC4和NLRP1一样，都含有可以直接活化caspase1的CARD结构域。它能够识别包括鞭毛蛋白(flagellin)、Ⅲ型分泌系统的针状和杆状蛋白(T3SS needle and rod protein)在内的三种细菌结构，进而诱使宿主的免疫细胞发生焦亡。然而，面对如此多样的细菌种类，NLRC4如何进行特异性的识别一直困扰着学界。近来，Zhao[17]和Vance[18]证实NLRs家族的NAIP蛋白可能参与了这种特异性的识别过程。研究表明，小鼠有NAIP1-7七种同源物，而人类则只有一种hNAIP。其中NAIP1/hNAIP、NAIP2和NAIP5/6分别识别T3SS的针状蛋白、T3SS的杆状蛋白和鞭毛蛋白，在接受特定的刺激后，NAIP和NLRC4共组装形成炎症小体，募集并活化caspase1引发细胞焦亡[19]。

3 细胞焦亡相关信号通路

在细胞焦亡的研究中，学界曾认为caspase1是唯一处于核心地位的分子。然而，Kayagaki等[20]发现小鼠的caspase11也能介导细胞焦亡的发生。自此，细胞焦亡分为了caspase1依赖的经典型炎症小体通路和caspase11依赖的非经典型炎症小体通路两种类型。

3.1 经典型caspase1炎症小体通路 通过经典型炎症小体通路发挥作用的炎症小体通常为AIM2、NLRP1、NLRC4以及NLRP3等。在该通路中，Caspase1的活化主要依赖于炎症小体和ASC相互的募集作用。ASC在caspase1的活化中起着重要的中介作用，它是由一个PYD结构域和一个CARD结构域组成的衔接蛋白，部分炎症小体内也含有这两种结构域，它们能够通过CARD-CARD或PYD-PYD间的相互作用吸引ASC的聚集，而ASC自身的CARD结构域又能够募集大量的前体caspase1，诱导该分子发生自我切割并活化，触发细胞焦亡。这种途径称为经典型caspase1通路。

Caspase1依赖的细胞焦亡主要在小鼠和人的巨噬细胞及树突状细胞中发生。近来在角蛋白细胞[21]、肠上皮细胞[22]、神经元细胞[5]中也发现了类似的caspase1依赖的细胞焦亡现象。

3.2 非经典型caspase11炎症小体通路 与上述通路不同，小鼠的caspase11和人的caspase4/5等可在没有经典型炎症小体和ASC参与的情况下直接识别胞内的细菌内毒素(Lipopolysaccharide，LPS)，诱发细胞焦亡[23]。

现已知，免疫细胞表面的Toll样受体4识别胞外的LPS，而caspase11则识别胞内LPS[24]。在干扰素诱导的鸟苷酸结合蛋白作用下，LPS从含革兰氏阴性菌的液泡释放入巨噬细胞胞质，随后LPS的脂质A与前体caspase11的CARD结构域可发生寡聚化作用形成复合体，即非经典型炎症小体[25，26]。在LPS诱导的caspase11活化过程中，Ⅰ型干扰素和IFN-γ起到了关键作用[27，28]。有趣的是，近来研究表明，caspase11的活化同时也能引起NLRP3-ASC-caspase1通路的激活[29]，这种特殊的激活途径称为“非典型NLRP3炎症小体活化通路”，caspase11可以通过这种方式促进IL-1β和IL-18的成熟释放。目前，caspase11介导细胞焦亡的具体机制仍存在很多疑问。近来，发表在Immunity杂志的实验证实，caspase11可通过一种由ATP调控的P2X7信号通路介导细胞焦亡的发生，同时该文章还发现，该通路的激活也是小鼠发生由caspase11介导的内毒素性休克的重要原因[30]。

关于上述两种焦亡通路的具体信号转导机制以及是否还存在其他焦亡通路的问题仍有待进一步的研究来解答。

4 细胞焦亡与凋亡

细胞焦亡作为一种细胞死亡过程，与传统意义上的细胞凋亡、坏死、衰老等均不同，而这其中细胞凋亡与焦亡有着更为密切的关系。限于篇幅限制，我们这里只对细胞凋亡和焦亡的区别与联系进行叙述。

细胞凋亡是最先发现的细胞程序性死亡。从形态学角度来说，发生凋亡的细胞胞膜内陷形成包裹有细胞器和胞质的凋亡小体从而被巨噬细胞吞噬，整个凋亡过程中胞膜完整性没有被破坏，所以并不会引起炎性反应。而焦亡的细胞由于胞膜微孔的形成导致细胞胀破死亡，胞质内容物释放，会引发明显的炎性反应。其次，发生凋亡的细胞会出现胞核染色体浓缩、DNA发生片段化甚至胞核碎裂，而尽管有报道称细胞焦亡也会出现轻微的DNA损伤和染色体浓缩现象，但此时焦亡细胞的胞核仍旧保持完整[23]。

现已证明，caspase家族触发的级联反应是细胞凋亡发生过程的中心环节。与焦亡依赖caspase1/11不同，凋亡相关半胱天冬酶主要包括caspase3/6/7/8/9/10，其中属于凋亡起始的caspase8/9/10作为受体应答内源或外源性凋亡信号，引起凋亡效应的caspase3/6/7自身剪切活化，随后这些效应caspase进一步剪切下游靶蛋白触发凋亡[3，31]。

尽管在细胞形态学特征、信号通路等方面有着诸多不同，细胞焦亡和凋亡的某些作用通路也存在一定的联系。近来有研究发现，细胞焦亡中的炎症小体AIM2和NLRP3也可以通过ASC的PYD结构域与caspase8的死亡结构域(Death effector domain，DED)相互作用募集caspase8，从而诱导细胞凋亡过程的发生[32,33]。对于细胞而言，焦亡和凋亡均可能发生，有人认为决定不同死亡结局出现的主要因素可能与细胞接受的刺激信号强弱相关，较强的刺激信号能够引起细胞焦亡，而较弱的刺激信号则可能引起细胞凋亡[32]。

5 细胞焦亡与临床疾病

尽管炎症小体及细胞焦亡过程在抵御病原体侵袭方面有着重要作用，但有时异常的细胞焦亡过程也会带来消极影响。

编码炎症小体的基因发生突变可能是多种自身免疫性疾病发生的重要原因。隐热蛋白相关周期综合征(Cryptothermal protein-associated cycle syndrome,CAPS)是以家族性寒冷自身炎症综合征、荨麻疹-耳聋-淀粉样变性综合征以及新生儿多系统炎症性疾病为主要表现的一组临床综合征，多项研究发现该病的发生与体内IL-1β的异常升高有关，而这一病理生理过程与NLRP3的活化有很强的相关性。近来有团队证实，NLRP3的Ser295位点突变能够显著降低体内前列腺素E2对该炎症小体活化的抑制作用，从而间接促进CAPS疾病的进展[34]。还有研究表明，炎症小体NLRC4内高度保守序列NBD的新生错义突变与巨噬细胞活化综合征的发生有关[35]，而编码NLRP1基因的某些单核苷酸多态性如M1184V等可能通过促进自身FIIND结构域的切割活化过程而增加了健康人罹患类风湿性关节炎、白癜风、克罗恩病等疾病的风险[10]。

炎症小体介导的神经元炎性反应同样也是很多神经系统疾病发生的机制。阿兹海默症(Alzheimer disease,AD)是严重影响人类认知功能的一种神经退行性改变，脑内β-淀粉样蛋白的沉积被认为是AD的特征性表现。正是由于该蛋白的增多，诱发了神经系统持续的慢性炎症以及小胶质细胞免疫功能的破坏，最终导致神经系统的退行性改变并发脑功能紊乱。Heneka等[36]认为，β-淀粉样蛋白能够通过溶酶体的组织蛋白酶B激活NLRP3，从而加重神经系统炎性反应，一定程度上促进了AD的疾病进展。未来针对炎症小体的靶向治疗也许能在某种程度上延缓阿兹海默症的恶化。此外，NLRP3介导的神经系统的慢性炎症和免疫异常也是帕金森综合征发生的重要机制，近来Yan等[37]研究发现，脑内多巴胺可以通过cAMP抑制NLRP3的活化从而降低机体炎症反应水平，而帕金森患者体内由于缺乏多巴胺将会进一步导致神经系统炎症的激化，加重病情。

细胞焦亡也与一些代谢性疾病的发生密切相关。众所周知，Ⅱ型糖尿病患者体内的胰腺β细胞功能和数量都处于较低水平，有研究发现NLRP3介导的IL-1β异常升高是导致糖尿病胰岛素抵抗以及胰岛β细胞功能损害和数量减少的重要因素，而另一方面，NLRP3的异常活化能够大幅增强糖尿病患者体内氧化应激水平，使患者发生心脑血管事件的风险大大提高[38]。此外，研究发现动脉粥样硬化的关键分子——胆固醇结晶对NLRP3的活化作用可能参与了血管壁慢性炎症过程[39]。

IL-18以及IL-1β在细胞焦亡的致病过程中有着重要作用，目前针对IL-1受体的拮抗剂阿那白滞素(anakinra)、利纳西普(rilonacept)以及IL-1β的拮抗剂卡那奴单抗(canakinumab)在治疗CAPS等很多疾病时都显现出了一定疗效[40]。然而，炎症小体和caspase1的异常活化也许才是疾病发生的根本原因，我们期待更多可直接阻断焦亡重要通路的药物能获得更好的临床疗效。近来有研究发现，β-羟丁酸能阻止钾离子外流并影响ASC功能，从而抑制NLRP3的活化[41]，或许是未来治疗NLRP3异常活化相关的疾病潜在的治疗靶点。

6 总结与展望

关于细胞焦亡具体机制的探讨一直是研究的热点。近来邵峰团队取得了突破性进展，他们发现了细胞焦亡关键的下游分子——gasdermin-D(GSDMD)。caspase1/11切割该分子产生的N端结构是细胞焦亡过程中细胞膜上微孔形成的关键物质[42]。这一机制的揭示，为细胞焦亡理论的发展提供了新的启示，未来针对细胞焦亡的研究应更侧重对该通路的关键靶位如炎症小体、caspase1/11、ASC的相关信号通路及转录机制的深入探索，此外，导致细胞焦亡发生的直接原因——包膜上微孔的形成机制也有着很高的研究价值。

本文就细胞焦亡的相关分子机制、信号通路及其在临床疾病发病机制的重要作用进行了详细的阐述和探讨，尽管还有诸多的疑问有待解答，但笔者相信随着细胞焦亡相关机制研究的深入，将有助于帮助临床更好应对相关的疾病。