焦孔素D 介导的细胞焦亡机制及其在子宫内膜癌中的研究进展

张倩倩，陈凡，朱姣姣，丁瑶瑶，冲喜会，刘会玲,3#

1甘肃中医药大学第一临床医学院，兰州 730000

2陇南市第一人民医院妇产科，甘肃 陇南 742500

3甘肃省人民医院妇科，兰州 730000

全球癌症数据库对全球185个国家36种肿瘤的发病率和病死率进行评估，报告显示，2018年子宫内膜癌（endometrial arcinoma，EC）新发病例382 069例，病死89 929 例[1]。EC 作为最常见的妇科恶性肿瘤，大多早期诊断患者具有良好的预后[2]，但Ⅲ期和Ⅳ期患者[3]，特别是远处转移或复发的EC 患者，其生存率仍然很低。目前，有关EC 的发病机制尚不明确。因此，寻找EC 患者预后相关生物标志物至关重要。

细胞焦亡是一种由焦孔素（gasdermin，GSDM）介导的炎症性程序性细胞死亡形式，伴随质膜穿孔、细胞外液内流、细胞肿胀、核浓缩及促炎性细胞内容物释放[4-5]。细胞焦亡的调控机制主要分为典型的细胞焦亡途径和非典型的细胞焦亡途径。典型的细胞焦亡途径通过病原体相关分子模式（pathogen-associated molecular pattern，PAMP）或损伤相关分子模式（damage-associated molecular pattern，DAMP）识别并触发半胱氨酸蛋白酶（caspase）1活化，非典型的细胞焦亡途径主要通过脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）识别并活化caspase 4/5/11，进而诱发细胞焦亡[6]。GSDM 是近期发现的一种具有成孔效应的蛋白家族[7]，且是介导细胞焦亡发生的关键底物分子。GSDM 家族成员包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、GSDME、GSDMF，不同的GSDM在不同的组织脏器中表达，发挥着重要的生物学功能。GSDM 家族成员之间具有45%的序列同源性，大多数家族成员的N 端结构域和C 端结构域高度相似、保守[8]，且除了GSDMF，其余分子被激活后均产生具有穿孔活性的N 末端进而诱发细胞焦亡的发生。GSDMD 作为最早发现的GSDM 家族成员，被caspase 1/4/5/11 切割后产生具有活性的GSDMD-N 末端，参与肿瘤的发生发展。与正常子宫内膜相比，GSDMD 在EC 中高表达，且通过免疫组化发现GSDMD 在人及异种移植小鼠EC 细胞系中均高表达[9]。研究表明，GSDMD的高表达可能参与EC 的发生、发展并与患者的预后有关，但作用机制尚不明确。本文就GSDMD 介导的细胞焦亡机制及其在EC 中的作用进行综述，以期为未来的研究奠定基础。

1 细胞焦亡的概述

细胞死亡在维持生物体体内稳态中发挥重要作用。目前，已发现的细胞死亡形式主要包括细胞坏死、凋亡和焦亡[10]。细胞焦亡是一种溶解性的细胞死亡形式，也被称为GSDM 介导的程序性细胞死亡。细胞焦亡具有坏死和凋亡的两种特征，凋亡过程中可形成凋亡小体，而焦亡中可形成焦亡小体[11]。与细胞凋亡不引起大量的炎症反应和保持了细胞膜的完整性相比，细胞焦亡的早期可出现凋亡样染色质浓缩和DNA 片段化，随后出现坏死性的细胞膜孔形成、细胞内容物外渗和促炎因子释放。细胞凋亡是维持机体内坏境稳态的主要方法，是细胞自主的、程序的、非炎症性的细胞死亡形式。而细胞焦亡是一种新的细胞死亡方式，在免疫调控、抵抗感染和肿瘤抑制方面发挥重要作用。1992 年，细胞焦亡在福氏志贺菌感染巨噬细胞后引起的细胞裂解反应中被发现，由于对程序性细胞死亡形式认识的局限性，误将其归为细胞凋亡的范畴[12]。而在2001 年，焦亡的概念首次被提出，并定义为沙门氏菌感染巨噬细胞的caspase 1 依赖性非程序性细胞死亡形式[13]。在焦亡的过程中，活化的caspase 1/4/5/11 切割GSDMD 形成N 末端结构域，促使细胞膜孔形成、细胞膜破裂释放内容物及炎性因子[14]。

2 GSDMD 介导的细胞焦亡机制

2.1 GSDMD 的特性

GSDMD 又称为 GSDMDC1、DFNA5L 或FKSG10，最初在人类基因组数据库中以查找GSDMA同源物的方式被发现[15]。GSDMD基因位于人类染色体8q24.3 上，而在小鼠染色体上位于15D3-E1 位点[16]。GSDMD-N 端和GSDMD-C 端通过肽接头连接形成GSDMD 蛋白[14]。caspase 1/4/5/11 被炎症体或LPS 激活后，切割GSDMD 产生对特定脂质如心磷脂、磷脂酸、双磷酸肌醇等成分具有高亲和力的细胞毒性GSDMD-N 端结构域。在质膜的内小叶上，GSDMD-N 端寡聚化使细胞质表面形成跨膜孔[17]并释放细胞内容物和炎性因子，如白细胞介素（interleukin，IL）-1β和IL-18[18]。相反，GSDMD-N 端与质膜外小叶没有亲和力，可避免细胞焦亡对周围正常细胞的损伤[17]。这说明GSDMD-N 端的特性可能为恶性肿瘤的靶向治疗提供新的方向。

2.2 GSDMD 参与细胞焦亡的典型通路

细胞焦亡的典型通路由caspase 1 介导，为应对各种内源性和外源性感染，细胞质模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR）可识别一系列PAMP 或DAMP，激活各种炎症体[19]，主要包括黑色素瘤2（absent in melanoma 2，AIM2）和核苷酸结合寡聚化结构域样受体（nucleotide binding oligomerization domain like receptor，NLR）家族。炎症体是细胞内的一种多蛋白复合物，在体内免疫途径中发挥重要作用，且是细胞焦亡典型通路中caspase 1切割GSDMD的重要组成部分[20]。典型炎症体复合物由PRR、衔接蛋白细胞凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein，ASC）和效应蛋白caspase 1 组成[21]。ASC 作为衔接蛋白，含有嘧啶结构域（pyrin domain，PYD）和半胱天冬酶募集结构域（caspase activation and recruitment domain，CARD），携带CARD 的PRR 可直接募集半胱天冬酶原-1 以组装caspase 1 依赖性的炎症小体，然后通过自切割激活caspase 1 使之转变为成熟的、具有活性的caspase 1[22]。一方面，活化后的caspase 1 切割GSDMD，产生31 kD 的C 端阻遏结构域和22 kD的N 端成孔结构域，GSDMD-N 端可使细胞膜形成大量非选择性的孔，导致细胞肿胀、质膜破裂及细胞内容物释放，进而诱发细胞焦亡[23]。另一方面，活化后的caspase 1 可将IL-1β和IL-18 前体切割为成熟的IL-1β和IL-18，其可通过由GSDMD-N 端形成的细胞膜孔被释放出来，导致细胞焦亡，并诱发炎症反应[24-25]。GSDMD-C端可阻遏GSDMD-N端的毒性作用，进而抑制上述变化。

2.3 GSDMD 参与细胞焦亡的非典型通路

细胞焦亡的非典型通路中，人源性caspase 4/5和鼠源性caspase 11 可与细胞内LPS 结合而被激活，活化后的caspase 裂解GSDMD 产生具有细胞毒性的GSDMD-N 端，其转移到细胞膜促使质膜孔的形成，最终诱发焦亡[24]。与细胞焦亡的典型通路相比，caspase 4/5/11 只能通过含pyrin 结构域NOD 样受体家族3（NOD-like receptors family 3,pyrin domain containing，NLRP3）/caspase 1 途径介导IL-1β和IL-18 前体的成熟与释放，而不能直接进行切割[26]。且在非典型通路中，GSDMD-N 形成的质膜孔可以引起钾离子释放以促进NLRP3和caspase 1 的活化，最终导致IL-1β和IL-18 的成熟和释放[27]。因此，在非典型通路中，IL-1β和IL-18前体的成熟与释放是通过依赖典型通路中活化的caspase 1 间接发生的。

3 GSDMD 与EC

3.1 GSDMD 与EC 标志物

EC 的肿瘤标志物主要包括糖类抗原（carbohydrate antigen，CA）125 和CA19-9。子宫内膜浆液性癌主要以分泌CA125 为主，而子宫内膜样癌或黏液性癌会分泌CA125 和CA19-9，因此就表现为CA125 或CA19-9 升高。但这两种标志物的特异性较差，如卵巢癌有可能会表现为CA125 升高，直肠癌也有可能表现为CA19-9 升高。CA125/CA19-9更多用于EC 患者手术后或者放化疗后的疗效观察，可根据肿瘤标志物血清学水平的降低和升高判断疾病的缓解和复发情况，而不能作为肿瘤患者预后甚至诊疗的标志物。而已有的研究结果显示，GSDMD 在EC 组织中高表达，当GSDMD 低表达时患者具有较长的生存期[28]。在EC 异种移植小鼠模型中，氢处理后GSDMD 蛋白过表达可使异种移植瘤变小，阐明了其在治疗方面的作用[9]。但目前的研究甚少，还需进一步探索。

3.2 GSDMD 在EC 中的表达及意义

细胞焦亡在恶性肿瘤发生发展的过程中扮演双重角色。一方面可激活甚至释放炎性因子促进肿瘤的发展，并增加肿瘤细胞的化疗耐药性；另一方面可作为一种程序性细胞死亡方式诱发肿瘤细胞死亡，并发挥肿瘤抑制作用。而GSDMD 作为GSDM 家族研究最多的成员之一，近期被确定为细胞焦亡的关键执行者。Zhang和Yang[28]通过癌症基因组图谱（The Cancer Genome Atlas，TCGA）数据库发现了4 个与细胞焦亡相关的预后基因，包括中性粒细胞弹性蛋白酶（elastase,neutrophil expressed，ELANE）、谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）、含有衔接蛋白的TIR结构域（TIR domain containing adaptor protein，TIRAP）和GSDMD，且GPX4和GSDMD在子宫内膜癌中高表达，而ELANE和TIRAP低表达。当GPX4和GSDMD低表达时，EC 患者具有较好的预后。Kambara 等[29]研究表明，ELANE 以caspase 非依赖的方式在其切割位点的上游介导GSDMD 的切割与活化。Kang 等[30]的研究发现，GPX4 可通过调节脂质过氧化依赖性caspase 11 的活化，进而激活GSDMD 以促进细胞焦亡的发生。同样，Gurung 等[31]发现，TIRAP 可调节caspase 11 的表达，caspase 11 是一种与caspase 1 相关的蛋白酶，且在NLRP3炎症体的激活中发挥重要作用，caspase 1和caspase 11活化后介导的GSDMD 裂解是诱发细胞焦亡的关键。Yang 等[9]的研究结果显示，GSDMD、caspase 1、NLRP3 及IL-1β等细胞焦亡相关分子在EC 组织中高表达，且GSDMD、caspase 1、NLRP3 的表达情况与肿瘤患者的预后密切相关。这阐明GSDMD诱发的细胞焦亡参与EC 的进展过程，而EC 中GSDMD 介导的焦亡通路尚未明确，有待进一步研究。

3.3 GSDMD 在EC 治疗中的作用

有研究结果显示，在HEC1A、AN3CA 等EC 细胞系中，氢处理可提高细胞内活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平，促使NLRP3 炎症小体形成，激活caspase 1，剪切GSDMD 蛋白，进而诱导EC 细胞焦亡的发生；敲除GSDMD后，氢参与的细胞焦亡通路被抑制，证实GSDMD 在ROS 诱导的细胞焦亡通路中发挥关键作用。在EC 异种移植小鼠模型的研究中，氢处理后，caspase 1、GSDMD 等细胞焦亡相关蛋白过表达，而移植物的体积和重量则减轻，这说明氢在GSDMD 等蛋白分子的作用下诱导的细胞焦亡具有肿瘤抑制作用[9]。因此，GSDMD 可能有望成为EC 潜在的预后生物标志物并指导临床诊断，也为EC的治疗提供了新的方法。

4 小结

EC 作为妇科常见恶性肿瘤，晚期患者特别是转移患者，生存率很低，其治疗手段主要包括手术、放疗和化疗，但对于转移或复发EC 患者的疗效仍不明确。CA125 是EC 的主要肿瘤标志物，可用于评估患者的预后情况，但不能作为诊断依据。因此，需要进一步研究以支持EC的诊断与治疗。

细胞焦亡是一种促炎的细胞程序性死亡方式，在肿瘤的发生和转归中发挥关键作用。GSDMD作为细胞焦亡的关键底物蛋白，通过活化的caspase 1/4/5/11 切割后产生具有细胞毒性的GSDMD-N 末端导致质膜穿孔、细胞内容物及炎性因子的释放，进而诱发肿瘤细胞焦亡，且其高表达与多种肿瘤的预后相关。尽管当前研究表明GSDMD 的高表达与EC 的发生、发展及患者的预后相关，但缺乏更多临床研究及动物模型以验证GSDMD 高表达与EC 进展及预后的关系。

因此，本文就GSDMD 介导的细胞焦亡机制及其与EC 发生、发展、患者预后的关系进行综述，为后期进一步探索GSDMD 在肿瘤中的作用机制奠定基础，以期为未来EC 的诊治提供新思路。