细胞焦亡——细胞程序性死亡研究的下一个风向标？
摘要
细胞焦亡，一种炎性细胞程序性死亡过程，最初是在细胞感染过程中得以发现，后来被发现作为炎症小体（包含Caspase-1）及其他Caspase的下游，广泛参与多种疾病炎性过程中的细胞死亡过程。细胞焦亡和其他多种细胞程序性死亡相互补充、相互串连和转化，共同构成了细胞程序性死亡的复杂体系。
当细胞受到外界微生物（如细菌）感染时，模式识别受体（pattern-recognition receptors, PRRs）可识别病原体相关分子模式（pathogen-associated molecular pattern，PAMP）或机体细胞释放的危险相关分子模式（danger-associated molecular pattern，DAMP），从而快速启动天然免疫反应以抵御病原微生物入侵。模式识别受体一般表达于巨噬细胞、单核细胞、树突状细胞、中性粒细胞、上皮细胞以及适应性免疫系统中的一些细胞。
模式识别受体依据亚细胞定位可分为两大类：（1）细胞膜上的Toll样受体（Toll-likereceptors，TLR）和C型凝集素受体（C-type lectin receptors）；（2）细胞质内的RIG-Ⅰ样受体（RIG-Ⅰ-like receptors）、AIM2样受体（AIM2 like receptors）及NOD样受体（NOD-like receptors）。研究表明，位于细胞质内的一些NOD样受体/AIM2样受体在细胞内能够直接或者通过接头蛋白ASC（apoptosis-associated speck-like proteincontain a CARD）募集半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶酶原（pro-Caspase-1），从而形成多蛋白复合体，即炎症小体（inflammasome）[1]，在机体天然免疫应答中起重要作用。识别不同病原体的PRRs组装为不同的炎症小体，目前研究报道最多的是NLRP3、NLRC4、NLRP1和AIM2炎症小体，NLRP2、NLRP6、NLRP7、NLRP12及IFI16等炎症小体也有报道[2，3]。
经典的炎症小体活化过程是“双重信号”模型。初级信号为启动信号，细胞膜上的TLR识别胞外的危险相关分子模式或病原体相关分子模式，例如TLR4识别细菌脂多糖（LPS），激活NF-κB信号通路，诱导多种NOD样受体（例如NLRP3）蛋白以及pro-IL-1β/pro-IL-18的表达；次级信号为活化信号，细胞内的NOD样受体在迅速识别危险相关分子模式或病原体相关分子模式（例如线粒体DNA）后，与接头蛋白ASC组装，从而招募pro-Caspase-1[4]。当pro-Caspase-1的局部浓度升高时，发生自体剪切，生成的片段p20和p10组成四聚体结构的具有生物活性的Caspase-1（即活化的Caspase-1）[5]。炎症小体通过调控Caspase-1活化实现其功能：（1）Caspase-1剪切细胞因子pro-IL-1β和pro-IL-18使其成熟并释放到胞外介导炎症的级联反应，启动宿主免疫反应；（2）Caspase-1还可通过GasderminD（GSDMD）介导细胞焦亡（pyroptosis）[6, 7]，表现为细胞膜崩解，胞质内毒素分子释放，从而趋化炎症细胞并促进其释放细胞因子，这一过程是经典的细胞焦亡激活过程。通过对细胞焦亡的研究的不断深入，一些新的分子机制被发现，比如一些新的Caspase（如Caspase-4、 Caspase-5、Caspase-11）可以被病原体结构分子（如LPS）直接激活[8]，并通过GSDMD介导细胞焦亡[9,10]，这一过程被称为非经典的细胞焦亡激活过程（图1）。
图1:CST炎症小体及细胞焦亡信号通路图
实际上，早在1992年就有科学家观察到Caspase-1介导的程序性细胞死亡（也就是后来被称为细胞焦亡）[5]，这是一种形态上区别于细胞凋亡的一种新的细胞程序性死亡形式。 直到2015，Gasdermin D作为Caspase-1和-11的切割靶点被发现，这种细胞焦亡效应才为人所知[6]。其中，中国的科学家邵峰院士在Gasdermin家族蛋白（包括Gasdermin D）的研究中获得了令世人瞩目的发现，也因此获得了CST冠名的“🔗中国细胞生物学会2017杰出成就奖”。Gasdermin D的N端含有孔道形成结构域（pore-forming domain，PFD），当炎症小体信号通路被外界扰动（如细菌感染）激活时，在Caspase-1或Caspase-11/4/5的多个caspase切割下，从而将Gasdermin D裂解，将其N端形成孔结构域(PFD)与C端抑制区(RD)分离开来[6-8]，大家可以利用WB检测到Gasdermin D全长片段和剪切后生成的Gasdermin D-N端片段(如图2所示)。同时，结构生物学研究显示Gasdermin D的N端发生多聚化并在细胞膜上形成孔道，同时释放成熟的IL-1β，并驱动细胞肿胀直至膜破裂[11]。另外，它通过与细菌膜上的心磷脂结合而具有潜在的抗菌作用。
图2: 用80 nM TPA(12-O-四醇酚-13-乙酸酯，CST产品#4174)过夜处理诱导THP-1细胞分化后，再用1μg/ml脂多糖（CST产品#14011）处理6h，以未加LPS的THP-1细胞作为对照，分别提取细胞裂解物，用Gasdermin D抗体#96458 (上)或β-actin(D6A8)兔单抗#8457(下)进行WB的结果。
然而，Gasdermin D仅仅是Gasdermin家族的六位成员之一，其他的家族成员是不是也有类似效应，参与细胞焦亡呢？通过后来的研究发现，其他Gasdermin超家族蛋白具有同源的PFDs，也被证明在发生切割后会激活PFDs形成细胞膜上孔道导致细胞焦亡[12]。其中之一，Gasdermin E （DFNA 5），可在不同情况下被Caspase-3切割激活，将凋亡转化为细胞焦亡或裂解性细胞死亡[13,14]。
细胞焦亡与其他细胞程序性死亡过程之间存在相互串话和转化
一些新的证据提示，细胞焦亡与其他细胞程序性死亡过程之间存在相互串话和转化。比如，细胞程序性坏死的关键调控蛋白MLKL可以激活NLRP3炎症小体[11]并促进IL-1β的加工，并介导IL-1β不依赖于GADMD的释放[12];在Caspase-1或Gasdermin家族成员被抑制的情况下，传统认为参与细胞凋亡的Caspase-8也可以介导IL-1β的激活过程[15,16]。反之，在Caspase-1被抑制或缺失情况下，也发现炎症小体可以通过激活Caspase-8介导细胞凋亡的发生[17-20]。
笔者相信，多种细胞程序性死亡的串话和相互转化将成为细胞死亡研究当中的一个热点问题[21]，在不同的应激条件下，不同细胞程序性死亡形式将互为补充，共同维持生物体的内稳态。其中，Caspase及Caspase介导的蛋白剪切和活化过程将成为多种细胞程序性死亡的串话和相互转化的直接证据被检测[22,23]。
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细胞焦亡，作为一种炎性程序性细胞死亡，已经在不同疾病模型当中开始受到关注，相信在近年来将成为基金申请的热点。目前，已经有很多报道初步显示了细胞焦亡参与肿瘤[24]、感染类疾病[25]、心血管疾病[26]、神经炎症[27]等很多疾病炎性过程，很多过去对炎症小体信号通路非常关注的研究人员，可能会自然延伸到对细胞焦亡机制的研究上来，掀起新一轮细胞死亡研究的热潮。
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附表：CST炎性小体（含细胞焦亡）研究相关产品 |
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No |
Product Name |
Application |
Reactivity |
|
3545 |
Nod1 Antibody |
W |
H, M, R, Mk |
|
3793 |
CIITA Antibody |
W IP |
H |
|
12421 |
NLRC4 (D5Y8E) Rabbit mAb |
W IP |
H |
|
15101 |
NLRP3 (D4D8T) Rabbit mAb |
W IP |
H, M |
|
13158 |
NLRP3 (D2P5E) Rabbit mAb |
W IP |
H |
|
13829 |
NLRX1 (D4M3Z) Rabbit mAb |
W IP |
H, M, R |
|
4990 |
NALP1 Antibody |
W |
H, M, R |
|
12948 |
AIM2 (D5X7K) Rabbit mAb |
W IP |
H |
|
13095 |
AIM2 Antibody (Mouse Specific) |
W IP |
M |
|
13833 |
TMS1 (E1E3I) Rabbit mAb |
W IP |
H |
|
67824 |
ASC (D2W8U) Rabbit mAb (Mouse Specific) |
W IP IF F |
M |
|
2225 |
Caspase-1 Antibody |
W IHC |
H |
|
3866 |
Caspase-1 (D7F10) Rabbit mAb |
W IP |
H |
|
4199 |
Cleaved Caspase-1 (Asp297) (D57A2) Rabbit mAb |
W IP |
H |
|
67314 |
Cleaved Caspase-1 (Asp296) Antibody |
W |
M |
|
4450 |
Caspase-4 Antibody |
W |
H |
|
46680 |
Caspase-5 (D3G4W) Rabbit mAb |
W IP |
H |
|
14340 |
Caspase-11 (17D9) Rat mAb |
W IP |
M |
|
12703 |
IL-1β (D3U3E) Rabbit mAb |
W IF F |
H |
|
12242 |
IL-1β (3A6) Mouse mAb |
W IHC |
H, M |
|
31202 |
IL-1β (D6D6T) Rabbit mAb (Mouse Specific) |
W F |
M |
|
52718 |
Cleaved-IL-1β (Asp117) Antibody (Mouse Specific) |
W IP |
M |
|
83186 |
Cleaved-IL-1β (Asp116) (D3A3Z) Rabbit mAb |
W IP IF |
H |
|
96458 |
Gasdermin D Antibody |
W IP |
H |
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参考文献
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