细胞焦亡的生物学机制及其在癌症中的作用研究进展

高英 陈微楠 朱雪琼

细胞死亡的方式主要分为两大类，即程序性死亡和非程序性死亡，其中程序性死亡主要包括细胞凋亡、细胞焦亡及坏死性凋亡等；非程序性死亡主要包括细胞坏死等。细胞焦亡是一种由半胱天冬氨酸蛋白酶-1（Caspase-1）介导的程序性细胞死亡方式[1]，其特点是快速质膜破裂，然后释放细胞内容物和IL等促炎物质，引发炎症级联反应，进而造成细胞的损伤。细胞焦亡信号通路包括Caspase-1介导的经典通路与Caspase-4、Caspase-5、Caspase-11介导的非经典通路。在经典通路中炎症体的组装促进Caspase-1的活化[2]；而在非经典通路中细菌脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）促进 Caspase-4、5、11 的活化[3]，活化的 Caspase-1 或 Caspase-4、5、11 通过裂解消皮素D（Gasdermin D，GSDMD），使其生成N端和C端，GSDMD的N端与细胞膜磷脂结合，使细胞膜形成许多小孔，水分内流，导致细胞肿胀，细胞膜发生破裂，细胞内容物释放，进而引起炎症反应，使细胞发生焦亡。研究发现，细胞焦亡与癌症的发生、发展关系密切[4]，对细胞焦亡与癌症关系进行研究有助于了解癌症的发生、发展机制，为癌症的干预提供新的研究思路。本文就细胞焦亡的生物学机制及其在癌症中的作用研究进展作一综述。

1 细胞焦亡与细胞凋亡、坏死性凋亡的区别

1.1 细胞焦亡与细胞凋亡的区别 （1）两者所涉及的半胱天冬氨酸蛋白酶（Caspase）不同：凋亡过程中涉及的半胱天冬氨酸蛋白酶主要包括与凋亡起始相关的Caspase-2、8、9、10 和与凋亡执行相关的 Caspase-3、6、7[5]；焦亡过程中涉及的半胱天冬氨酸蛋白酶主要包括介导经典途径的Caspase-1和介导非经典途径的Caspase-4、Caspase-5、Caspase-11[6]。（2）是否涉及炎症反应：细胞凋亡是程序性细胞死亡的一种高度可调节的途径，半胱氨酸蛋白酶导致细胞基质溶解，细胞核浓缩，DNA裂解和质膜收缩，同时产生广泛的质膜泡和许多细胞凋亡体，但细胞质内容物不会在细胞外释放，也不会在此过程中引发任何炎症反应[7]；但焦亡的细胞核浓缩，细胞膜形成大量的小孔，水分内流，导致细胞肿胀，细胞膜发生破裂，释放内容物，并引起炎性反应[8]。（3）细胞形态变化不同：细胞凋亡表现为细胞基质溶解、染色质浓缩、细胞核碎裂和凋亡小体的形成；而细胞焦亡表现为细胞DNA断裂，细胞核浓缩，细胞膜破裂。

1.2 细胞焦亡与坏死性凋亡的区别 （1）介导质膜破裂的机制不同：在坏死性细胞凋亡过程中，质膜破裂是由受体相互作用蛋白（receptor-interacting protein，RIP）1、RIP3和混合谱系激酶结构域样蛋白（mixed lineage kinase domain-like protein，MLKL）介导的[9]；而在细胞焦亡过程中，质膜破裂依赖于非选择性的GSDMD孔[10]。（2）细胞形态变化不同：坏死性凋亡主要由于细胞和细胞器肿胀，最终导致质膜完整性丧失；而细胞焦亡的特点是细胞膜形成微小孔隙，水分内流，细胞肿胀，进而导致细胞膜破裂[11]。

2 细胞焦亡的生物学机制

2.1 细胞焦亡的经典通路

2.1.1 炎症体的组装 炎症体的组装是细胞焦亡经典通路的起始步骤，炎症体是炎症发生所必需的细胞质内大分子蛋白复合体，能够识别细菌、病毒等危险信号分子。炎症体主要由模式识别受体（pattern recognition receptors，PRRs）、凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated-speck-like protein，ASC）及半胱氨酸蛋白酶-1前体（pro-caspase-1）组成[12]。其中PRRs是负责识别细胞内不同信号刺激的受体蛋白，其主要由核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein，NLRP）1、NLRP3、核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白C4（nucleotide-bindingoligomerization domain-like receptor protein C4，NLRC4）、黑色素瘤缺乏因子 2（absent in melanoma 2，AIM2）等组成[13]。ASC是一种衔接蛋白，主要由N端的热蛋白结构域（pyrin domain，PYD）、C端的半胱天冬酶募集结构域（caspase activation and recruitment domain，CARD）组成[14]。pro-caspase-1是效应分子，其被活化后能够特异性地切割GSDMD。危险信号传感器NLR1、NLRP3或AIM2识别危险信号分子后，通过其N端的PYD结构域与衔接蛋白N端的PYD结构域结合，ASC再通过CARDCARD结构域的相互作用募集Caspase-1，完成炎症体的组装[15]。

2.1.2 Caspase-1的活化及其功能 炎症体的作用是活化效应分子pro-caspase-1，使其形成具有活性的Caspase-1。活化的Caspase-1能够特异性地切割GSDMD，使其生成N端和C端，GSDMD的N端与细胞膜磷脂结合，使细胞膜形成许多小孔[16]，细胞完整性遭到破坏，水分内流，导致细胞肿胀、破裂，释放细胞内炎性物质，诱导细胞焦亡的发生；除此之外，Caspase-1还可以促进IL-18、IL-1β前体的成熟，使之裂解为具有活性的IL-18、IL-1β[17]，并通过细胞膜孔分泌至细胞外，募集更多的炎症细胞，引起炎症瀑布反应。这种由Caspase-1介导的细胞死亡方式称为细胞焦亡的经典通路。

2.2 细胞焦亡的非经典通路 细胞焦亡的非经典通路主要由Caspase-4、Caspase-5和Caspase-11介导。细胞受到细菌LPS的刺激后，Caspase-4、5、11直接与细菌LPS结合并被激活[18]。活化的Caspase-4、5、11特异性切割GSDMD，解除了对GSDMD-N结构域的分子内抑制[19]，GSDMD-N端与细胞膜磷脂结合引起细胞膜孔形成、细胞肿胀、破裂，诱导细胞焦亡；GSDMD-N端还可以通过激活NLRP3炎症体，进而活化Caspase-1[20]，活化的Caspase-1刺激IL-18、IL-1β前体的成熟，并将IL-18、IL-1β分泌至细胞外，扩大炎症反应。Yang等[21]研究发现，在依赖Caspase-11的非经典通路中，缝隙连接蛋白-1（Pannexin-1）能够发生裂解，Pannexin-1裂解可以激活自身通道并释放ATP，诱导细胞焦亡的发生。Lamkanfi等[22]研究发现，在依赖Caspase-11的非经典通路中，Pannexin-1裂解还可以通过激活NLRP3炎症体，进而活化Caspase-1，诱导细胞焦亡的发生。

3 细胞焦亡在癌症中的作用研究

3.1 细胞焦亡在乳腺癌中的作用研究 Jiao等[23]研究了人脐带间充质干细胞的分泌因子对乳腺癌细胞系MCF-7的影响，结果发现暴露于人脐带间充质干细胞分泌因子的MCF-7细胞可通过分泌IL-1β诱导细胞发生焦亡，从而引起MCF-7细胞死亡，表明人脐带间充质干细胞的分泌因子可以通过细胞焦亡途径导致MCF-7细胞死亡。维甲酸诱导基因I（Retinoic Acid Inducible Gene I，RIG-I）是一种模式识别受体，在识别RNA病毒中起关键作用。Elion等[24]研究了RIG-I介导的先天免疫反应在乳腺癌细胞中的作用，结果发现乳腺癌细胞中的RIG-I活化导致乳腺癌细胞死亡，部分原因是由于细胞焦亡的激活诱导炎性细胞因子，白细胞募集趋化因子的表达以及主要组织相容性Ⅰ组分的表达增加有关。

3.2 细胞焦亡在肝癌中的作用研究 Chen等[25]报道，印度黄酮（Euxanthone）能够显著抑制肝癌细胞的增殖、迁移和侵袭，并诱导细胞死亡，其机制与印度黄酮能够激活Caspase-1依赖的细胞焦亡信号转导通路有关。NLRP3炎症体可促进Caspase-1的活化，活化的Caspase-1诱导细胞焦亡。Wei等[26]研究了NLRP3炎症体在肝癌组织和相应的癌旁组织中的表达，结果发现与癌旁组织相比，肝癌组织中NLRP3炎症体的表达显著降低，且NLRP3炎症体的表达水平与肝癌临床分期和病理分级呈负相关，表明NLRP3炎症体表达可抑制肝细胞癌的疾病进展。

3.3 细胞焦亡在肺癌中的作用研究 Wang等[27]研究发现，NLRP3炎症体的激活能够促进肺腺癌A549细胞的增殖和迁移，其机制与NLRP3炎性体能够通过Caspase-1依赖性或非依赖性途径介导IL-18和IL-1β的释放有关，阻断IL-18或IL-1β信号传导减轻了NLRP3炎性体对肺腺癌A549细胞增殖和迁移的影响，表明NLRP3炎性体通过促进IL-18和IL-1β的释放，进而促进肺腺癌的进展。Gao等[28]研究了GSDMD在非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）中的生物学功能，发现与癌旁组织相比，肺癌组织中GSDMD蛋白表达水平显著上调，且GSDMD表达与肿瘤大小和临床TNM分期呈正相关，表明GSDMD表达上调参与了非小细胞肺癌的病情进展。Wang等[29]报道，抗高血脂药物辛伐他汀能够抑制非小细胞肺癌的增殖和迁移，其机制与辛伐他汀能够激活NLRP3炎症体、Caspase-1、IL-1β和IL-18，从而诱导非小细胞肺癌的细胞焦亡有关，Caspase-1抑制剂Ac-YVAD-CMK能够减弱辛伐他汀对非小细胞肺癌的抑制作用。

3.4 细胞焦亡在其他癌症中的作用研究 Li等[30]探讨了长链非编码RNA生长停滞特异性转录物5（long noncoding RNA growth arrest-specific transcript 5，lncRNA GAS5）与卵巢癌的关系。结果发现，lncRNA GAS5外源性过表达抑制卵巢癌细胞的增殖和集落形成并促进细胞凋亡。除此之外，LncRNA GAS5还可以通过诱导炎性体形成和细胞焦亡来抑制卵巢癌。

Wang等[31]研究发现，GSDMD在胃癌中表达降低，GSDMD表达下调后细胞外信号调节激酶（extracellular signal regulated kinase，ERK）、信号转导和转录激活因子 3（activator of transcription 3，STAT3）和磷脂酰肌醇 3激酶（phosphatidylinositol 3 kinase，PI3K）/蛋白激酶 B（protein kinase B）信号通路被激活，并调节细胞周期相关蛋白的表达来加速细胞S/G2期转换，促进胃癌细胞增殖，表明GSDMD具有抑制胃癌进展的作用。

然而，Zhai等[32]报道却发现敲低人转移性黑色素瘤细胞系1205Lu和HS294T中的NLRP1炎症体能够抑制黑色素瘤生长，其机制与NLRP1炎症体表达下调降低了Caspase-1活性、NF-κB活性及IL-1β的产生和分泌有关，表明NLRP1炎症体能够通过增加Caspase-1活性、促进IL-1β的分泌，进而促进黑色素瘤的生长。

NALP1炎症体是模式识别受体的组成成分，模式识别受体参与炎症体的组装。Chen等[33]使用组织微阵列、蛋白质印迹和定量实时PCR检测人正常和结肠癌组织中NALP1炎症体的表达，结果发现，与正常结肠组织相比，NALP1炎症体在结肠癌组织中表达较低，并且与患者的较低存活率和肿瘤转移相关，表明NALP1炎症体能够抑制结肠癌的转移和进展。

4 小结

细胞焦亡是一种由Caspase-1介导的程序性细胞死亡方式，其信号转导通路包括Caspase-1介导的经典通路和Caspase-4、5、11介导的非经典通路。细胞焦亡与癌症的发生、发展密切相关。在乳腺癌、肝癌、卵巢癌、胃癌以及结肠癌中，细胞焦亡抑制癌症的进展，而在黑色素瘤中，细胞焦亡促进癌症的进展。在肺癌中，NLRP3炎症体参与的细胞焦亡促进肺腺癌的进展，但抑制非小细胞肺癌的进展，而GSDMD参与的细胞焦亡却促进非小细胞肺癌的进展。因此，深入研究细胞焦亡与癌症的关系，将为癌症的防治提供新的研究思路。