GSDMD介导的细胞焦亡在心房颤动中的研究进展

商雪 赵嘉昊 李昕玺 祝慧 赵珂 刘振兴 徐会圃

滨州医学院附属医院心血管内科，滨州 256600

心房颤动（atrial fibrillation，AF）是临床上常见的心律失常，其患病率正在上升，显著增加了中风、心力衰竭和心血管死亡的风险［1-2］。随着经济增长、人口老龄化以及糖尿病、高血压、肥胖症和饮酒等风险因素的增加，AF 的患病率在全球范围内不断增加，并已成为一个主要的公共卫生负担［3］。目前，AF 的发病机制仍然未知，进一步探究AF 的发病机制对减少AF 的发病率有重要的作用，大量的研究表明炎症参与了AF 的这一发病过程［4-5］。近期发现的新型细胞死亡方式——细胞焦亡，是一种程序性促炎细胞死亡方式，现有的研究证明AF 患者与健康人群相比，其炎性小体及下游因子有所增加，表明在AF 的发生发展过程中，细胞焦亡是其中一环［6-8］。消皮素D（GSDMD）作为焦亡的效应物，有希望将GSDMD抑制剂开发用于炎症性疾病。

细胞焦亡

1.细胞焦亡的定义

细胞焦亡最早在1992年被Zychlinsky等［9］首次发现，但这个术语直到2001 年才被创造出来，这是因为观察到了受细菌感染的巨噬细胞在caspase-1 活性的作用下经历了细胞的快速裂解死亡［10］。2015 年2 月，焦亡被定义为gasdermin 介导的程序性死亡［11］。2018 年细胞死亡命名委员会定义细胞焦亡为依赖gasdermin 蛋白家族成员形成的质膜孔隙的一种细胞死亡方式，至此，细胞焦亡的定义日趋完善［12］。

2.细胞焦亡的形态学特征

（1）细胞焦亡具有一种特殊的DNA 损伤形式，虽然发生染色质浓缩和DNA 断裂，但细胞核保持完整；（2）炎症诱导孔洞形成导致细胞发生肿胀和渗透溶解，失去了细胞膜的完整性；（3）焦亡发生的最后一般伴随着炎性物质［白细胞介素（IL）-1β、IL-18］的释放，这些都是和细胞凋亡的不同之处。概括来说，即焦亡的形态学特征包括：形成气泡样突起、质膜形成孔、细胞肿胀、膜破裂、炎症因子（IL-1β、IL-18）的释放［13-14］。

3.细胞焦亡的途径

目前，已发现的焦亡途径大致可分为以下4 种类型，包括经典焦亡途径、非经典焦亡途径、其他caspase 介导的焦亡途径以及近期发现的颗粒酶介导途径。

3.1.细胞焦亡的经典途径 细胞焦亡的经典途径是指在病原体相关分子模式或损伤相关分子模式被机体内的模式识别受体识别后，先通过凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein， ASC） 与caspase-1 前体连接，形成炎性小体，炎性小体进一步激活caspase-1 前体裂解形成具有活性的caspase-1，激活的caspase-1对GSDMD进行剪切活化，最终导致细胞焦亡［15］。

3.2.细胞焦亡的非经典途径 非经典焦亡通路则由caspase-4/5/11完成。Shi等［11］于2015年发现，caspase-4/5/11均能裂解GSDMD，形成N-端结构域（GSDMD-N）和C-端抑制结构域（GSDMD-C），其中GSDMD-N通过寡聚化，在细胞膜上形成孔隙，导致细胞焦亡。

3.3.其他caspase 介导的细胞焦亡途径 目前，Wang等［16］于2017 年提出细胞在接受化疗药物后，活化的caspase-3 可以剪切GSDME，形成GSDME-N 片段和GSDME-C 片段，释放的GSDME-N 片段能够造成细胞膜穿孔，最终导致细胞焦亡。最近的一项研究报道，在小鼠骨髓来源的树突状细胞中，Fas 连接触发了强caspase-8 依赖的GSDMD 的分裂和焦亡［17］；另有研究表明， caspase-8 也可通过裂解GSDMD来诱导细胞焦亡［18］。

3.4.颗粒酶介导的细胞焦亡途径 颗粒酶是由细胞毒性T 细胞和自然杀伤细胞内的细胞质颗粒释放的丝氨酸蛋白酶，其中颗粒酶A 和颗粒酶B 被广泛研究。Zhou 等［19］首次揭示了细胞毒性淋巴细胞所分泌的颗粒酶A 通过切割GSDMB 释放GSDMB-N 片段导致细胞穿孔，以诱发细胞焦亡，而且该过程不涉及caspase 的活化。Zhang 等［20］发现，颗粒酶B 在caspase 3 位点切割GSDME 时，可诱导细胞焦亡的发生。

4.GSDMD蛋白

在细胞焦亡的众多途径中，gasdermin 蛋白是最终的效应蛋白。在人体中，gasdermin 蛋白家族包括6 个成员，包括GSDMA、B、C、D、E 和F，均具有成孔活性［21］。GSDMD 是gasdermin成孔蛋白家族中目前研究最为广泛和深入的一类蛋白，存在于体内各种细胞和组织的胞浆中。人和小鼠GSDMD 的结构在2019 年已被阐明［21-22］。GSDMD 包含22 ku 的GSDMD-C 和31 ku 的GSDMD-N［23］。GSDMD 是caspase-1 和caspase4/5/11 的通用底物，炎症性caspases 裂解GSDMD，通过释放裂解GSDMD-N 与细胞膜相结合形成大的跨膜孔。通过电子显微镜，可以看到GSDMD-N 孔的内径为10.0～15.0 nm，足够进一步释放具有4.5～5.0 nm 分子直径的促炎产物（IL-1β 和IL-18）通过，细胞破裂，从而导致细胞焦亡［24-25］。

5.GSDMD抑制剂

有许多传感器和介质均能触发焦亡，但GSDMD 和其他GSDM 家族成员的孔隙形成是一个有吸引力的药物靶点，不像核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3（NOD-like receptor protein 3，NLRP3）等炎症小体抑制剂只抑制一种特定的炎症小体。因为孔隙形成是由致病信号或危险信号引起的焦亡和炎症细胞因子释放的共同的最终步骤，可以抑制由任何刺激触发的所有炎症小体通路激活所引起的炎症，其中GSDMD抑制剂是最有吸引力的治疗药物。

双硫仑是一种醛脱氢酶抑制剂，是FDA 批准的一种治疗酒精成瘾的药物，近期被证明可以通过抑制GSDMD-N与胞质膜内小叶酸性磷脂的结合来阻止细胞焦亡和细胞因子的释放［26］。双硫仑可以抑制人类和小鼠细胞的典型和非典型炎症小体引起的焦亡，通过干扰GSDMD 的孔隙形成，双硫剂提供了一种有效的手段来抑制炎症反应［27］。双硫仑在医学上有很长的使用历史，并且已经掌握了安全信息，并且双硫仑已经被用于治疗癌症患者。此外，双硫磷可广泛获得，且具有良好的安全性，是一种经济和低成本的药物。综上所述，双硫仑对研究GSDMD 介导的细胞焦亡具有非常重要的意义。

细胞焦亡在AF中的研究

AF 是临床上常见的心侓失常，它有多种模式、症状和后果，可以是阵发性、持续性、永久性［28-29］。AF 的发生机制在很大程度上仍然未知。就目前研究结果表明，AF 没有单一的病因机制，多种因素参与其中，炎症是其中一个重要的生物过程，可介导组织愈合，以应对感染或组织损伤［30］。AF 的进展不仅与强烈的炎性反应相关，长期的慢性炎症也能够诱导心房发生纤维化及结构的重构，导致AF 的发生和维持。冠状动脉疾病和慢性肾病是增加AF 患病率的慢性促炎条件，炎症性肠病、类风湿关节炎和银屑病等系统性炎症疾病，也均伴有AF发病率增加［31］。细胞焦亡是一种与炎症相关的程序性死亡，有报道称焦亡可导致心肌细胞损伤和焦亡，这凸显了GSDMD 作为心血管疾病治疗靶点的潜力［32］。

有研究表明，在心肌细胞和心脏成纤维细胞中均发现了NLRP3 炎性小体成分［33］。也有研究进一步证明，NLRP3 炎症小体直接参与AF 发病机制［6］。在该研究中，分别检测了阵发性房颤（paroxysmal atrial fibrillation，pAF）患者、持续性房颤（persistent atrial fibrillation，perAF）患者及健康体检者右心房组织细胞悬液中NLRP3 的表达水平和活性，其研究结果表明AF患者的NLRP3小体活性明显增高，并且perAF患者NLRP3、ASC和活化的caspase-1（casp1-p20）的蛋白水平均有所升高，这表明NLRP3炎症小体伴随着AF的持续性发展。并且在该研究中利用shRNA 介导的NLRP3 基因敲除小鼠和应用NLRP3 选择性抑制剂MCC950 的小鼠进一步证实了NLRP3 炎性小体参与了AF的发病机制。NLRP3炎性小体其下游分子ASC、caspase-1、IL-1β 和IL-18 水平也被发现在 AF 中升高［7-8］。有研究证明，应用实时荧光定量PCR 和蛋白质印迹分析可发现患有AF 的小鼠表现出上调的NLRP 3、ASC、半胱天冬酶-1 和GSDMD［34］。也有研究表明，发现成熟的caspase-1可以切割GSDMD，而GSDMD 的n 端可在肌膜中创造孔隙，促进分泌性免疫细胞和心脏成纤维细胞释放成熟的IL-1β 和IL-18［35］。在心脏术后发生AF 的患者心房肌细胞中，NLRP3 和前caspase-1、GSDMD 均显著高于窦性心律患者［36］。目前，临床应用的诊疗方案已经显著改善了AF患者的生存期，然而，其长期预后仍然很差，需要进一步完善靶向治疗。

综上所述，进一步探索GSDMD 蛋白介导的细胞焦亡机制对研究AF的发病机制及制订新的诊疗方案非常重要。

总结与展望

随着细胞焦亡这种新的细胞死亡方式被发现以来，大量的学者对此进行了研究，表明焦亡参与了神经系统疾病、自身免疫性疾病、肿瘤、心血管疾病等多种疾病的进展［37-40］。目前，细胞焦亡在各类心血管疾病中被广泛研究，但在AF 领域仍有较大的研究空间［41］。其中，GSDMD 作为细胞焦亡的效应蛋白，GSDMD 抑制剂可作为治疗手段的一个关键靶点，其前景值得期待。

作者贡献声明商雪：实施研究、查阅文献、收集整理数据、起草文章；赵嘉昊：查阅文献、对文章的知识性内容作批评性审阅；李昕玺、祝慧：分析/解释数据、对文章的知识性内容作批评性审阅；刘振兴、赵珂：收集整理数据；徐会圃：分析/解释数据、对文章的知识性内容作批评性审阅、获取研究经费、指导