镉诱导细胞焦亡相关机制的研究进展

廖明星，李仁燕，2，*

(1.国家卫生健康委出生缺陷与生殖健康重点实验室，重庆市人口和计划生育科学技术研究院，重庆 400020；2.长沙医学院中医药农业生物基因组学湖南省重点实验室，湖南 长沙 410219)

镉是一种非必需重金属微量元素，体内镉过量蓄积可严重影响机体健康。电镀、颜料、镍镉电池及采矿、冶炼、精炼等工业，排出含镉的废气、废水、废渣等[1]，污染空气、水、食物及土壤[2]。通过呼吸、饮水、进食等方式进入人体，在人体内半衰期可长达10～30 年[3]，镉与人类多种疾病的发生密切相关，如疼痛病、神经退行性疾病[4]、癌变[5]和肾脏损害[6]等。镉主要在肝脏代谢和储存，与肝脏分泌的金属硫蛋白结合，通过血液循环，运输至其他靶器官[7]，对多个组织、器官产生毒性[8]。镉致组织器官毒性的主要机制包括引起氧化应激、DNA损伤后再修复能力下降等，从而导致表观遗传学变化及基因表达改变[9]。

细胞焦亡是一种新的程序性细胞死亡，表现为细胞不断胀大，直至细胞膜破裂，细胞内容物释放，进而引起强烈的炎症反应。近年来，大量研究表明镉可通过各种途径诱导细胞焦亡的发生，并导致组织器官毒性[10-12]。因此，本文对细胞焦亡形成和镉调节细胞焦亡分子机制的最新研究进展进行综述，以期为探讨镉对人体健康的影响提供新的思路。

1 细胞焦亡的形成及发生机制

1.1 细胞焦亡的发现

1986 年Friedlander[13]首次发现，利用炭疽致死毒素处理小鼠巨噬细胞，细胞膜破裂，迅速释放内容物，导致细胞大面积死亡。1992年Zyclinsky等[14]发现感染革兰氏阴性菌小鼠的巨噬细胞大量死亡。这些由细菌感染导致巨噬细胞的死亡，依赖于含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶caspase-1，而不是由DNA降解所依赖的caspase-3引起细胞凋亡[15]。为了区分这种新的细胞死亡方式，将细胞被细菌等感染后caspase-1 激活、促炎因子释放，从而使细胞肿胀、破裂和死亡的现象命名为“细胞焦亡”[16-17]。细胞焦亡的发生依赖于炎性caspases，由caspase-1介导的是细胞焦亡的经典途径，由人源caspase-4/5 或鼠源caspase-11介导的为细胞焦亡的非经典途径[18-19]。

1.2 细胞焦亡的经典途径

当细胞受到外界微生物(如细菌)感染时，模式识别受体(pattern-recognition receptor，PRR)被激活，并识别病原体相关分子模式、机体细胞释放的危险相关分子模式和损伤的双链DNA(double stranded DNA，dsDNA)等，启动炎症小体复合物组装，激活caspase-1，进而对IL-1β、IL-18 前体和膜穿孔蛋白Gasdermin D(GSDMD)进行切割，形成具有活性的GSDMD-N端和自抑制的GSDMD-C端。GSDMD-N端通过与膜内脂质组分结合，在膜上寡聚形成孔隙，导致膜形状发生改变，包括起泡、膨大和细胞膜破裂，细胞膜因完整性丧失而导致细胞膜内外渗透压紊乱，炎症因子通过孔洞释放至膜外[20]，导致炎症反应[21]，进而促进DNA降解，核浓缩，细胞器如线粒体、溶酶体被破坏等[22]。其中PRR 主要包括黑色素瘤缺乏因子2(absent in melanoma 2，AIM2)、NOD 样受体pyrin 结构域相关蛋白3(NOD-like receptor family pyrin domain containing 3，NLRP3)、NLRP1、NOD 样受体CARD 结构域相关蛋白4(NOD-like receptor family CARD domain containing 4，NLRC4)等[23]。不同的PRR 所感受的刺激也有所不同，如AIM2 主要识别细胞质中的dsDNA[24]，NLRP3主要识别细菌成孔毒素、尼日利亚霉素、ATP、颗粒物等成分[25]，NLRC4 主要识别细菌的鞭毛蛋白和Ⅲ型分泌系统等成分[26]。

1.3 细胞焦亡的非经典途径

细胞焦亡的非经典途径主要由脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)直接激活人的caspase-4/5 和小鼠的caspase-11，进而介导细胞焦亡[27]。以caspases 作为直接受体，感知病原体如LPS 编码的分子，并进行自寡聚和自激活，对GSDMD 进行切割，使其形成对细胞膜有成孔活性的GSDMD-N 端[28]，从而促进非经典途径的细胞焦亡发生。

1.4 细胞凋亡与焦亡的相互转换

细胞凋亡是机体自主进行的一种有序的或程序性细胞死亡方式，以维持自身平衡，是胚胎发育、组织稳态和机体稳定等不可缺少的正常生理过程，其形态特征主要是染色质固缩、核浓缩和核DNA断裂等，最终会被巨噬细胞清除[29]。细胞凋亡不引起炎症、细胞膜破裂及细胞内容物释放。细胞凋亡与焦亡是两种独立的细胞程序性死亡方式，但研究表明，两者之间存在分子机制上的内在联系[30]。如二者均需caspases 的参与，其中caspase-2/3/8/9 主要参与细胞凋亡，而caspase-1/4/5/11 主要参与细胞焦亡，但两种细胞死亡途径也可以相互转化。一方面细胞凋亡相关因子可以诱导细胞焦亡，比如巨噬细胞感染耶尔森氏杆菌后，受体蛋白能促进caspase-8 对GSDMD 和GSDME 的切割并激活，从而引起细胞焦亡[31-32]。在癌细胞中，肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor alpha，TNF-α)可促进caspase-8对GSDMC 的剪切，形成GSDMC-N 端，并在细胞膜上寡聚成孔，诱导细胞焦亡发生[33]。Wang 等[34]在使用化疗药物时发现，高表达GSDME 的细胞中，caspase-3 可将TNF-α所诱导的细胞凋亡转变为细胞焦亡。同时，在肺癌A549 细胞中，紫杉醇和顺铂通过激活caspase-3，促进GSDME 剪切，并诱导细胞焦亡[35]。另一方面细胞焦亡相关因子也可以诱导细胞凋亡，如caspase-1 虽然是细胞焦亡经典途径中关键效应分子，但在GSDMD 缺失或低表达的情况下，caspase-1 被证明可以激活caspase-3/7所诱导的细胞凋亡[36]，当敲除caspase-1后，将明显降低肾小管细胞的凋亡[37]。由此可见caspases 家族参与调控细胞凋亡和焦亡的相互转化，并在很大程度上取决于GSDM蛋白水平[31]，然而二者相互转化的分子机制，仍需继续探索。

2 镉与细胞焦亡

细胞焦亡是各种刺激物触发炎症小体激活的一种细胞程序性死亡方式，镉是这种刺激物之一。镉诱导组织中多种促炎细胞因子表达水平上升，而细胞焦亡本质上就是促炎反应。因此，镉可能主要通过诱导细胞焦亡，从而启动或促进组织发生炎性病理变化。镉诱导氧化应激的发生，增强细胞中蛋白质、脂质和DNA 的氧化，导致DNA 损伤和肿瘤生长等[38-39]。同时，镉诱导产生的活性氧(reactive oxygen species，ROS)还可通过激活NLRP3或AIM2炎症小体，促进细胞焦亡的发生。

2.1 镉通过ROS激活NLRP3炎症小体诱导细胞焦亡

镉主要通过诱导ROS致组织细胞毒性，而ROS作为NLRP3激活剂的第二信使，可激活炎症小体[40]，促进细胞焦亡的发生。既往研究表明，用镉处理血管内皮细胞[41]、肾小管上皮细胞[42]、淋巴内皮细胞[43]或脾脏淋巴细胞[10]等，均发现镉使细胞产生大量的ROS，激活NLRP3 炎症小体，促进细胞焦亡的发生，最终导致组织器官毒性。此外，用镉与钼联合处理鸭肾小管上皮细胞，引起上皮细胞的氧化应激，且通过ROS/PTEN/PI3K/AKT 轴协同，上调NLRP3 mRNA 和蛋白的表达水平，触发焦亡[44-45]。

镉除了在细胞层面上能引起细胞焦亡的发生，在一些动物模型中也观察到了镉处理引起细胞焦亡的现象。如Chen 等[11]对4周龄雄性小鼠，分别用氯化镉(cadmium chloride，CdCl2) 2或7 mg/kg灌胃，在4和8周后进行检测，结果显示，镉通过下调抗氧化反应蛋白Nrf2和上调其负反馈调控因子Keap1抑制抗氧化通路，同时发现NLRP3、ASC、caspase-1、GSDMD、IL-1β以及IL-18 的表达增加，促进了甲状腺滤泡细胞的焦亡，从而破坏甲状腺组织结构和内分泌功能。另外还有研究报道，镉和钼联合处理，可通过抑制Nrf2 介导的脑组织抗氧化反应，进而促进细胞焦亡的发生[46]。

2.2 镉通过ROS激活AIM2炎症小体诱导细胞焦亡

研究表明，过量的ROS不仅会激活NLRP3炎症小体，还会引起DNA 损伤，损伤的dsDNA 能直接与AIM2 结合，促进AIM2炎症小体的激活[47]。Zhou等[12]对8周龄雄性小鼠腹腔注射0、1、3 mg/kg CdCl2，连续注射7 d后发现3 mg/kg CdCl2显著增加睾丸组织中ROS 含量和DNA 损伤水平，同时AIM2 的mRNA表达水平上调，NLRP3的mRNA表达降低，以及焦亡相关因子GSDMD、GSDME、caspase-1、ASC和IL-1β的蛋白表达上调。上述结果表明，镉通过诱导产生过量的ROS，导致DNA损伤明显增加，激活AIM2 信号通路，从而诱导睾丸组织细胞焦亡。

2.3 抗氧化剂可拮抗镉诱导的细胞焦亡

既往研究发现，使用抗氧化剂，可有效减缓镉诱导的细胞焦亡。Xing 等[48]发现镉可引起鸡肝脏中NLRP3、caspase-1、IL-1β和IL-18 表达上调，同时发现硒可通过增加硒蛋白的表达，发挥抗氧化作用，使镉诱导的鸡肝脏细胞焦亡现象减少，其中硒蛋白与焦亡相关蛋白的表达呈负相关。Feng 等[49]以1 mg/kg 镉处理家兔30 d 后，发现家兔心脏细胞焦亡发生率升高，当用0.5 mg/kg 剂量硒共同处理，能显著改善家兔心脏细胞焦亡现象的发生，组织病变不明显，并能改善心脏功能。另外ROS抑制剂二苯碘铵可有效阻断巨噬细胞NLRP3炎症小体的激活，进而抑制细胞焦亡的发生[50]。但二苯碘铵是否可抑制镉诱导的NLRP3炎症小体的激活，相关研究尚未见报道。

3 小结与展望

镉引起的环境问题日益受到广泛关注。尽管镉诱导细胞焦亡的研究已取得一些进展，但其触发因素、启动机制、生理功能以及是否有其他炎症因子或其他信号通路的参与等方面的研究，仍有待进一步探索与证实。随着对镉与细胞焦亡分子机制的研究，将更深层次地阐释镉毒性机制，为治疗和预防镉中毒提供新的思路。