GSDME 介导的细胞焦亡在非肿瘤疾病中的研究进展

谭骏岚，殷淑婷，易 健，3，李 霞，覃 丽，4，戴爱国，3*

（1.湖南中医药大学，湖南 长沙 410208；2.血管生物学与转化医学湖南省高校重点实验室，湖南 长沙 410208；3.湖南中医药大学第一附属医院呼吸科，湖南 长沙 410007；4.湖南中医药大学药学院，湖南 长沙 410208）

在生物体的生长和发育过程中，细胞死亡对于维持机体稳态至关重要。细胞死亡可分为两种类型：意外的细胞死亡和程序性细胞死亡（programmed cell death, PCD）。 细胞焦亡是近年来发现的一种新的PCD 形式，其特征是细胞质膜孔形成、细胞水肿、膜破裂和炎症因子的释放，常见于严重感染后，也可发生在众多慢性疾病中[1]。

细胞焦亡（pyroptosis）一词源于希腊语中的“pyro”（发热）和“ptosis”（下降）[2]，是一种不同于细胞凋亡和坏死性凋亡并受Gasdermin（GSDM）家族调控的炎症性PCD，其主要特征是膜穿孔、细胞肿胀及细胞破裂[3]。 既往研究发现，Gasdermin D（GSDMD）是导致细胞焦亡的关键分子，其可被多种活化的天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶（cysteine-containing aspartate specific proteinase, Caspase） 特异性切割形成具有成孔活性的N 端结构域。近年来，在细胞焦亡的研究领域取得了新的突破，揭示GSDM 家族的另一成员Gasdermin E（GSDME）引起焦亡的新机制。GSDME 主要通过被Caspase-3 的切割作用获得成孔活性，参与多种慢性疾病的发生发展。 此外，通过药物靶向调控Caspase-3/GSDME 介导的细胞焦亡途径已在多种疾病模型中展现出较大的治疗潜力，未来有望临床转化。本文旨在总结GSDME 介导的焦亡分子机制及其在非肿瘤疾病中的应用研究进展，为临床慢性疾病的防治提供新策略。

1 GSDME 参与细胞焦亡的机制

GSDM 基因家族成员主要包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、GSDME 和DFNB59，独特的N 端结构域是该家族介导细胞焦亡发生的关键[4]。

2015 年，Nature 杂志发表的研究论文揭示GSDMD 为执行细胞焦亡的“刽子手”[5-6]。 此时，细胞焦亡发生途径分为依赖Caspase-1 的经典途径和依赖Caspase-4/5/11 的非经典途径。 （1）依赖Caspase-1的经典途径：在损伤相关分子模式（damage-associated molecular patterns, DAMPs）刺激下，炎症小体（主要是NLRP3） 激活促进Caspase-1 的活化并对GSDMD 进行切割，产生N-GSDMD 片段，导致细胞膜孔形成，引起细胞破裂死亡及细胞内容物如乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase, LDH）、炎症因子白介素1β（interleukin 1β, IL-1β）和白介素18（interleukin 18, IL-18）释放，发挥促炎效应；（2）依赖Caspase-4/5/11 的非经典途径： 该途径不需要炎症小体的活化，可由脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）直接激活Caspase-4/5/11 介导GSDMD 的切割，从而导致细胞焦亡的发生。

GSDME，又称为耳聋常染色体显性遗传5（deafness autosomal dominant 5, DFNA5），于1998 年被首次研究发现[7]。 GSDME 的表达具有组织及细胞特异性。在小鼠中，GSDME 在耳蜗、胸腺、结肠、肺、脑、脾脏和小肠中表达，但在乳房、胃系统中不表达[8]。2017 年，ROGERS 等[9]和WANG 等[10]发现Caspase-3可特异性切割GSDME，从而介导细胞焦亡的发生，拉开了GSDME 介导细胞焦亡在疾病发生发展过程中作用机制研究的帷幕。 此外，在GSDME 介导的焦亡途径中，死亡受体或线粒体通路激活Caspase-3并将GSDME 切割为N-GSDME，引起细胞膜穿孔和细胞焦亡。 此外，N-GSDME 的产生引起细胞膜的渗透性增加，导致细胞色素C 的释放和Caspase-3介导的细胞凋亡，形成一个正反馈回路[11]。

2 GSDME 通过介导细胞焦亡影响非肿瘤疾病的发生发展

目前，GSDME 介导的细胞焦亡在肿瘤中的相关研究已较为深入[12]，近年来，其在非肿瘤疾病中的研究也已全面铺开并取得了一定成果。

2.1 感染

2.1.1 细菌感染 肺炎链球菌性肺炎是最常见的细菌性肺炎，常可引发机体强烈的炎症反应。一般的抗感染及对症支持治疗通常可缓解疾病，但感染未得到有效控制会造成脓毒血症，危及患者的生命。研究发现，在肺炎链球菌肺炎小鼠模型及体外经肺炎链球菌感染的肺泡巨噬细胞中，GSDMD 及GSDME 介导的细胞焦亡均被明显激活，而IL-6 可通过抑制GSDME 和GSDMD 介导的细胞焦亡来预防肺巨噬细胞消耗和肺损伤[13]。

2.1.2 病毒感染 2013 年，H7N9 病毒造成1568 人感染，其中616 人死亡，大多数H7N9 患者出现严重肺炎和急性呼吸窘迫综合征[14]。WAN 等[15]研究发现，H7N9 病毒可以在富含GSDME 的肺泡上皮细胞中激活Caspase-3 介导的细胞凋亡，并将其转换为细胞焦亡。 相比野生型（wild type, WT）H7N9 病毒感染的小鼠，Gsdme-/-小鼠血清肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor alpha, TNF-α）等炎症因子水平明显下降， 且肺部损伤明显减轻[15]。 肠道病毒71（en terovirus 71, EV71）是引起5 岁以下儿童手足口病的主要病原体，并且会导致一些患者产生严重的神经系统症状[16]。 DONG 等[17]研究发现，EV71 能诱导HeLa 和SK-N-SH 细胞发生Caspase-3/GSDME 介导的细胞焦亡。 在体内研究中发现，相比较WT 小鼠，Gsdme-/-小鼠在EV71 感染期间出现神经系统表现的时间更晚且存活时间更长[17]。 ORZALLI 等[18]研究发现，单纯疱疹病毒1（herpes simplex virus 1, HSV-1） 和水泡性口炎病毒 （vesicular stomatitis virus,VSV） 感染可引起B 细胞淋巴瘤2 （B cell lymphoma-2, Bcl-2） 家族成员髓细胞白血病1（myeloid cell leukemia 1, MCL-1）耗竭和Bcl-xL 失活，造成线粒体损伤， 并诱导人类角质形成细胞Caspase-3/GSDME 依赖性焦亡。

2.2 自身免疫性疾病

2.2.1 类风湿关节炎 类风湿关节炎（rheumatoid arthritis, RA）是一种自身免疫性疾病，其特征是持续性滑膜炎、全身性炎症、软骨损伤和骨侵蚀，最终导致残疾和生活质量下降[19]。 滑膜中成纤维细胞样滑膜细胞（fibroblast-like synovial cells, FLSs）的异常激活是滑膜炎症和关节损伤的初始事件，可显著加重RA 的进展[20]。 在LPS 刺激的滑膜成纤维细胞RSC-364 细胞所构建的滑膜炎细胞模型中，YANG 等[21]研究 发 现，LPS 可 通 过NLRP3/Caspase-1/GSDMD 和Caspase-3/GSDME 两条信号通路诱导滑膜成纤维细胞的焦亡。 在体外原代培养RA 患者滑膜成纤维细胞中，同样发现GSDME-N 的高表达，而使用siRNA敲低GSDME 后可显著抑制TNF-α+缺氧诱导的RA-FLSs 焦亡，并抑制RA-FLSs 的增殖、迁移及侵袭[22]。研究发现，相比较骨关节炎患者，RA 患者滑膜组织中活化的Caspase-3 及GSDME-N 表达明显升高，并且GSDME-N 的表达与RA 疾病活动呈正相关[23]。进一步体外研究发现，RA 滑膜巨噬细胞和循环单核细胞显示出活化的Caspase-3 和GSDME 的高表达，并且TNF 可诱导Caspase-3/GSDME 介导的细胞焦亡。 在一项体内研究中发现，相比较野生型胶原诱导性关节炎（collagen-induced arthritis, CIA）小鼠，患有CIA 的Gsdme-/-小鼠关节炎的发病率降低且滑膜炎明显减轻[23]。 因此，GSDME 介导的细胞焦亡与RA 的发病机制密切相关，靶向GSDME 可能是RA的潜在治疗方法。

2.2.2 炎性肠病 炎性肠病（inflammatory bowel disease, IBD）主要包括克罗恩病（Crohn's disease,CD）和溃疡性结肠炎（ulcerative colitis, UC），是胃肠道异常炎症性疾病，与机体免疫系统失衡密切相关[24]。 肠道黏膜异常和过度炎症反应是IBD 的特征性病理改变，也是其病情迁延不愈的重要因素。细胞焦亡促进炎症，因而在IBD 中发挥重要作用。 临床研究发现，患者血清中CD147 高表达，并通过激活核转录因子-κB（nuclear factor kappa B, NF-κB）促进GSDMD 和GSDME 介导的细胞焦亡，从而导致促炎因子IL-1β 和IL-18 的分泌明显增加，加重炎症损伤[25]。研究发现，与健康人群相比，CD 患者结肠黏膜中GSDME 的表达明显升高，并且处于活动期的CD 患者结肠黏膜中有着更高水平的GSDMENT，并伴有Caspase-8 和Caspase-3 的激活[26]。 与此一致，在2,4,6-三硝基苯磺酸（2,4,6-trinitrobenzenesulfonic acid, TNBS）诱导的结肠炎模型中，Gsdme-/-小鼠相比WT 小鼠的结肠黏膜炎症明显减轻。从机制上来说，TNBS 可诱导肠上皮细胞发生Caspase-8/Caspase-3/GSDME 依赖性焦亡，导致促炎因子如（IL-1β、TNF-α 等）分泌增加，从而加重肠道黏膜炎症[26]。

2.3 肾脏疾病

2.3.1 糖尿病肾病 糖尿病肾病（diabetic nephropathy, DN）是糖尿病最为常见的并发症，其中过度的炎症反应及氧化应激等是DN 的主要病理特征[27]。高葡萄糖条件下能诱导肾小球内皮细胞和足细胞、肾小管上皮细胞、肾小球系膜细胞发生焦亡，从而导致这些维持肾脏正常功能的细胞发生炎性损伤和变性，促进DN 的发生发展[28]。 近年来，GSDME 介导的细胞焦亡在DN 的发病中发挥了重要作用。 Z-DEVD-FMK 是一种Caspase-3 抑制剂，WEN 等[29]研究发现，Z-DEVD-FMK 可通过调节GSDME 的切割，从而改善糖尿病小鼠的蛋白尿、肾功能、肾小管间质纤维化。 在体外使用高葡萄糖条件培养的HK-2 细胞中发现，LDH 的释放、GSDME 和GSDME-N 蛋白表达明显升高。 反之，使用shRNA 质粒载体敲除GSDME 可明显减轻高糖诱导的HK-2 焦亡，并抑制胶原蛋白1 和纤连蛋白的表达[29]。 因此，靶向GSDME 介导的细胞焦亡可为临床DN 的治疗提供新思路。

2.3.2 急性肾损伤 急性肾损伤（acute kidney injury, AKI）是一种常见的临床并发症，其特点是肾功能迅速下降。 AKI 是化疗药物的主要毒副作用。SHEN 等[30]研究发现，化疗药物（顺铂或多柔比星）通过ROS/JNK/Caspase/GSDME 信号通路诱导肾小管上皮细胞焦亡。 他们还探究了GSDME 在接受顺铂治疗的小鼠肾细胞焦亡和顺铂诱导的AKI 发病机制中的作用，结果表明，Gsdme-/-小鼠的肾损伤及炎症明显减轻[30]。 研究发现，Caspase-3 的抑制阻止了GSDME 裂解为N-GSDME，改善了顺铂诱导的细胞焦亡和肾功能障碍[31]。 因此，针对GSDME 信号传导的治疗可能会减少药物诱导的肾毒性。

2.3.3 肾纤维化 肾纤维化由肾小管细胞死亡和炎症驱动，可导致各种慢性肾脏疾病（chronic kidney disease, CKD）中的肾功能障碍。 CHUNG 等[32]研究证实，在单侧输尿管梗阻（unilateral ureteral ligation,UUO）小鼠模型中，细胞焦亡促进肾间质纤维化。 这种参与可能与炎症有关，但机制仍然未知。LI 等[33]研究发现TNF-α/Caspase-3/GSDME 介导的细胞焦亡是导致输尿管梗阻后引起继发肾纤维化、炎症及肾积水的关键。而抑制Caspase-3 或GSDME 可显著减轻UUO 小鼠的肾纤维化及肾小管损伤[33]。 WU 等[34]同样发现，GSDME 的激活介导的细胞焦亡可能通过促进CKD 中的炎症反应来加重肾纤维化和肾功能障碍。

2.4 心血管疾病

GSDME 介导的细胞焦亡在心血管疾病的发生发展中同样发挥重要作用。 组蛋白脱乙酰酶11（histone deacetylase 11, HDAC11）在高脂饮食诱导的ApoE-/-动脉粥样硬化小鼠的主动脉中高表达[35]，并广泛参与炎症。YAO 等[36]研究发现，HDAC11 可能通过调节ERG 乙酰化激活NLRP3/Caspase-1/GSDMD 和Caspase-3/GSDME 信号通路来介导人脐静脉血管内皮细胞焦亡，从而促进动脉粥样硬化的发生发展。 心脏毒性是化疗药物多柔比星的主要毒副作用，ZHENG 等[37]研究发现，多柔比星可通过Bnip3/Caspase-3/GSDME 途径诱导心肌细胞焦亡。

3 靶向Caspase-3/GSDME 治疗非肿瘤疾病

3.1 化学合成药物

作为Caspase-3/GSDME 信号转导的关键执行者，Caspase-3 在GSDME 介导的细胞焦亡中发挥重要作用。 目前，已经开发了几种Caspase-3 抑制剂，在多种非肿瘤疾病模型中展现出较好的治疗效果。Z-DEVD-FMK 是一种Caspase-3 抑制剂，通过抑制Caspase-3 介导的GSDME 切割从而对细胞焦亡产生抑制作用，并在肾纤维化及糖尿病肾病中展现出良好的治疗效果[29，34]。 但也有研究发现，Z-DEVDFMK 的特异性较差，对其他半胱天冬酶，例如Caspase-2、Caspase-7、Caspase-8 和Caspase-10 似乎都存在抑制作用[38]。Ac-DEVD-CHO 是基于肽DEVD的Caspase-3 抑制剂，具有较强的特异性，能显著抑制TNF-α 诱导的人牙龈上皮细胞焦亡[39]。 但在体内的细胞活性和稳定性较差是Ac-DEVD-CHO 最大的缺点[40]。 最近，CAO 研究团队开发了一种新型GSDME衍生的Caspase-3 抑制剂Ac-DMPD-CMK/Ac-DMLDCMK，并发现其能显著降低胆管结扎诱导的急性肝衰竭小鼠中ALT/AST 水平和LDH 释放，减轻肝细胞损伤，且其效果明显优于Z-DEVD-FMK[41]。此外，最近发现一种JNK 抑制剂SP600125 能抑制GSDME介导的细胞焦亡，并有效地改善狼疮性肾炎小鼠的疾病活动程度[42]。在体外研究中发现，SP600125 能显著抑制狼疮患者血清诱导HK-2 细胞中GSDME 的表达及细胞焦亡[42]。总体而言，这些研究均具有一定的局限性，缺乏强有力的临床研究来证实其药物的真实有效性。

3.2 中药

天然药用植物是新药开发的重要来源。 中药槐耳是一种药用真菌，首次记载于葛洪的《肘后备急方》中，具有显著的抗炎活性。研究发现，中药槐耳含药血清可通过抑制GSDME 的表达来抑制OX7 抗体所诱导的肾系膜细胞焦亡[43]。 白藜芦醇是一种多酚类物质，多种中药如虎杖、决明子含有此成分，具有显著抗炎、抗氧化活性。 王琳等[44]研究发现，白藜芦醇可通过抑制Caspase-3/GSDME 介导的细胞焦亡，来减轻高糖诱导的肾小球系膜细胞损伤。 此外，丹参的主要活性成分丹参酮能抑制脓毒症大鼠心肌组织中GSDME、Caspase-3 蛋白的表达，降低血清IL-1β、IL-18、TNF-α 等炎症因子表达，从而改善脓毒症大鼠心脏功能，减轻心肌损伤[45]。

除了单味中药及中药活性成分，中药复方同样对GSDME 介导的细胞焦亡具有显著的调控作用。刘鸣昊等[46]研究发现，化痰祛湿方可通过抑制GSDMEN表达明显改善LPS 诱导的巨噬细胞焦亡。 经典名方小半夏汤，临床常用于治疗呕吐之证，疗效极佳。现代研究发现，小半夏汤能抑制化疗性异食癖模型大鼠胃窦Caspase-3、GSDME、GSDME-N 蛋白的表达，降低大鼠血清IL-1β、IL-18 水平，从而减少化疗所导致的大鼠胃窦组织细胞焦亡，改善化疗性恶心呕吐[47]。 这一研究为小半夏汤止呕的疗效提供了充分的科学解释，也为其临床的应用提供了科学依据。

4 结语与展望

近年来，GSDME 介导的细胞焦亡一直备受关注，但相关研究仍然有限。 总的来说，关于GSDME作为细胞焦亡的关键效应子的报道进一步提高了对GSDM 家族作为细胞死亡重要执行者的理解。 通过对文献的系统研究，不难发现：（1）GSDME可作为一种潜在生物标志物，能反应疾病的严重程度。如在类风湿关节炎患者的滑膜组织中GSDME-N 的表达水平与疾病活动度呈正相关。 与此一致，在克罗恩病患者结肠黏膜中GSDME 的表达明显升高， 并且处于活动期的患者结肠黏膜中有着更高水平的GSDME-N。（2）GSDME 也是众多非肿瘤疾病的防治靶点。 一些细菌及病毒感染可特异性地诱导GSDME介导的细胞焦亡，释放炎症因子，引起细胞因子风暴从而导致多器官功能损害。 而在小鼠模型中特异性敲除GSDME 后，小鼠因病毒或细菌感染所引起的病理改变明显减轻。 此外，在DN、肾纤维化、肝衰竭等疾病中，同样发现GSDME 的表达明显升高，通过使用Caspase-3/GSDME 途径的特异性抑制药物（如Z-DEVD-FMK、Ac-DEVD-CHO 等）或其他的工具药，能显著改善动物模型中疾病的病理改变。 但这些药物的相关研究仅限于动物及细胞模型，缺乏强有力的临床试验来提供更高级别的循证医学证据。此外，目前存在的针对Caspase-3/GSDME 途径的抑制药物或多或少存在特异性低、体内的细胞活性和稳定性较差等缺点。 这需要药物化学、药理学等科研工作者展开深入研究，对现有药物进行结构修饰亦或开发出新的更为有效的Caspase-3 和GSDME抑制剂，以便未来的临床转化。 更为重要的是，天然药用植物是新药开发的重要来源，我国拥有丰富的中药资源，从中草药中开发出有效的针对GSDME 抑制剂具有较好的可行性。 目前，一些中药活性成分似乎可通过诱导肿瘤细胞发生GSDME 介导的细胞焦亡，从而发挥抗肿瘤效应。 而在非肿瘤疾病中，一些单味中药和中药单体如槐耳、丹参酮、白藜芦醇就初步展示了对GSDME 的抑制活性，但仍需进一步深入研究。 此外，中药复方如小半夏汤等也展现了对GSDME 介导的细胞焦亡的调控作用，因而未来从中医药中开发靶向GSDME 药物具有良好的应用前景。GSDME 介导的细胞焦亡与众多非肿瘤疾病关系密切，或许未来GSDME 可作为一些疾病，特别是自身免疫及炎症性疾病的治疗及预后的新靶点，为这些难治性疾病带来新希望。