促炎癥的 PCD 細(xì)胞焦亡分類和機制
程序性細(xì)胞死亡 (Programmed cell death, PCD) 是多細(xì)胞生物中，由基因調(diào)控的細(xì)胞自殺過程，對多細(xì)胞生物的發(fā)育、體內(nèi)穩(wěn)態(tài)和完整性至關(guān)重要。PCD 的研究涉及多個領(lǐng)域，如免疫、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、癌癥、感染等。常見的 PCD 有細(xì)胞凋亡 (Apoptosis)、自噬 (Autophagy) 和焦亡 (Pyroptosis)，以及近年發(fā)現(xiàn)的鐵死亡 (Ferroptosis) 。
圖 1. 細(xì)胞死亡分類[2]
細(xì)胞焦亡 (Pyroptosis) 是一種促炎癥的調(diào)節(jié)性壞死 (Regulated necrosis) 方式。細(xì)胞焦亡通常在細(xì)胞內(nèi)病原體 (Intracellular pathogens) 感染時發(fā)生，例如單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞被一系列微生物病原體 (如 Salmonella, Francisella, Legionella) 感染后，發(fā)生半胱氨酸蛋白酶 Caspase-1 依賴性細(xì)胞焦亡。此外，一些損傷相關(guān)的分子模式 (DAMPs) 也會引起非巨噬細(xì)胞的焦亡。細(xì)胞焦亡機制
細(xì)胞焦亡主要有兩種分子機制: 經(jīng)典的 Caspase-1 依賴性和非 Caspase-1 依賴性途徑，這兩種機制的焦亡都會導(dǎo)致促炎癥細(xì)胞因子 IL-1β 和 IL-18 釋放 (圖 2)，擴大局部或全身的炎癥。
(左) Caspase-1 依賴性細(xì)胞焦亡；(右) 非 Caspase-1 依賴性細(xì)胞焦亡
在了解細(xì)胞焦亡機制之前，我們需要先認(rèn)識兩種重要組分: 炎癥小體 & Gasdermin D。
炎癥小體 (Inflammasome): 一般是由上游感受器蛋白，即模式識別受體 PRR，和銜接蛋白 ASC 以及下游的 Caspase-1 組成的復(fù)合物 (圖 3)，其中 PRR 能識別病原體入侵誘導(dǎo)的某些病原相關(guān)分子模式 PAMPs 和損傷相關(guān)分子模式 DAMPs。PRR 家族包括 Toll-樣受體 (TLRs)、NOD-樣受體和 AIM2 等成員，經(jīng)典的炎癥小體亞型的感受器包括 NOD-樣受體 (NLRP1, NLRP3, NLRC4) 、AIM2 或熱蛋白結(jié)構(gòu)域 PYD，在識別 PAMPs 或 DAMPs 后活化 Caspase-1。
Gasdermin D (GSDMD): 焦亡中炎癥 Caspase-1/4/5/11 的直接底物。GSDMD (53 kDa) 被 Caspase-1/4/5/11 裂解產(chǎn)生一個能啟動焦亡的 N-末端片段 ( GSDMD-NT, 31 kDa) 和一個功能未知的 C-末端片段 (GSDMD-CT, 22 kDa)。GSDMD-NT 與細(xì)胞膜內(nèi)小葉結(jié)合，并構(gòu)成直徑 10-33 nM 的孔。GSDMD-NT 也驅(qū)動 NLRP3-依賴性 Caspase-1 炎癥小體的激活，這可能要求 GSDMD 誘導(dǎo)形成的孔隙并引起鉀外排。
Caspase-1 依賴性細(xì)胞焦亡 (圖 2. 左): 以 NLRP3 途徑為例，某些 PAMPs 或 DAMPs 激活炎癥小體感受器后，觸發(fā) ASC 和 Caspase-1 募集形成大分子復(fù)合物，在復(fù)合物中 Caspase-1 被激活 。激活的 Caspase-1 直接裂解 GSDMD 和前體細(xì)胞因子 pro-IL-1β 和 pro-IL-18，引發(fā)焦亡，并促使 IL-1β 和 IL-18 成熟。裂解的 GSDMD-NT 在細(xì)胞膜上形成孔，介導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)內(nèi)容物 (Contents) 的釋放。炎癥小體感受器 NLRC4 與 NLRP3 不同之處在于 NLRC4 直接含有 CARD 結(jié)構(gòu)域，可以直接與 Caspase-1 相互作用 (圖 3)。非 Caspase-1 依賴性細(xì)胞焦亡 (圖 2. 右): 人細(xì)胞中的 Caspase-4 或 Caspase-5 或小鼠細(xì)胞中的 Caspase-11 識別細(xì)胞溶質(zhì)中的 LPS，這些炎性 Caspase 直接裂解 GSDMD 并引發(fā)焦亡。此外，GSDMD-NT 還能激活 NLRP3 炎癥小體及 IL-1β 和 IL-18 的 Caspase-1 依賴性成熟。
除了以上兩種主要的細(xì)胞焦亡機制外，最近的研究還發(fā)現(xiàn)了一種新的焦亡途徑: 特定的刺激導(dǎo)致 Caspase-3 的激活 (原本 Caspase-3 是凋亡的底物)，Caspase-3 誘導(dǎo) Gasdermin E (GSDME) 的裂解為 C-末端片段 (GSDME-CT) 和 N-端片段 (GSDME-NT)。GSDME-NT 也參與了膜孔的形成，導(dǎo)致細(xì)胞焦亡。
細(xì)胞焦亡與其他常見 PCD 的區(qū)別
細(xì)胞凋亡 (Apoptosis): Caspases 依賴性的經(jīng)典 PCD。凋亡細(xì)胞受控地分裂成凋亡小體，隨后被周圍的細(xì)胞和吞噬細(xì)胞識別和吞噬。在凋亡和焦亡中， Caspases 都發(fā)揮了重要的作用。
自噬性細(xì)胞死亡/自噬 (Autophagy-dependent cell death/Autophagy): 自噬體和自噬溶酶體的分解代謝過程，是細(xì)胞應(yīng)激的重要保護機制，也是維持穩(wěn)態(tài)的高度保守過程。鐵死亡 (Ferroptosis): 近年來發(fā)現(xiàn)的一種鐵依賴性的 PCD，區(qū)別于細(xì)胞凋亡、細(xì)胞壞死、細(xì)胞自噬。
表 2. 幾種 PCD 對比 (點擊查看大圖)[13]
細(xì)胞焦亡相關(guān)疾病
細(xì)胞焦亡是機體重要的免疫反應(yīng)，和感染性疾病、心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病、腫瘤密切相關(guān)。
細(xì)胞焦亡與感染: 病原體感染時，焦亡作用作為宿主防御機制，通過消除受損細(xì)胞，從而消除病原體，抵御感染，同時引發(fā)炎癥反應(yīng)。研究表明，多種細(xì)菌感染，包括弗氏志賀菌 (Shigella flexneri) 、沙門氏菌 (Salmonella)、單核細(xì)胞增生利斯特菌 (Listeria monocytogenes) 和嗜肺軍團菌 (Legionella pneumophila) 都能導(dǎo)致細(xì)胞焦亡發(fā)生。
細(xì)胞焦亡與心血管疾病: 近年來的研究表明，焦亡與動脈粥樣硬化、心肌梗死、糖尿病性心肌病、再灌注損傷和心肌炎等心血管疾病的發(fā)病機制有關(guān)。例如，在早期的動脈粥樣化形成中，內(nèi)皮細(xì)胞的焦亡可能促進單核細(xì)胞招募進入內(nèi)膜以及血管炎癥；在晚期動脈粥樣硬化病變中，巨噬細(xì)胞的焦亡可能促使壞死核心的形成和血小板不穩(wěn)定。還有研究表明，心肌梗死期間心肌細(xì)胞的損傷與焦亡有關(guān)。
細(xì)胞焦亡與神經(jīng)系統(tǒng)疾病: 焦亡與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病如腦血管病、阿爾茨海默病和癲癇有關(guān)。例如阿爾茨海默病，其主要病理改變是細(xì)胞外神經(jīng)炎斑塊中 β-淀粉樣蛋白 (Aβ) 的沉積干擾神經(jīng)膜功能，導(dǎo)致鉀離子從神經(jīng)元中流出，激活 NLRP1，引發(fā)焦亡。
細(xì)胞焦亡與代謝性疾病: NLRP3 炎癥小體在焦亡中起著重要作用，而 NLRP3 的激活可能與糖尿病的發(fā)生，發(fā)展及其相關(guān)并發(fā)癥有關(guān)。
細(xì)胞焦亡與腫瘤: 近年來有研究發(fā)現(xiàn)，焦亡作用可影響腫瘤的增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移，并受到一些非編碼 RNA 等分子的調(diào)控。
縮寫:
DAMPs: Danger-associated molecular patterns
PRR: Contain pattern-recognition receptors
ASC: Apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD
PAMPs: Pathogen-associated molecular patterns
NLR: Nod-like receptor/Nucleotide-binding oligomerization domain-like receptors,
CARD: N-terminal caspase recruitment domain
PYD: Pyrin domain
LRR: leucine-rich repeat
NBD: Nucleotide-binding and oligomerization domain
AIM2: absent in melanoma 2
| 相關(guān)產(chǎn)品 | 作用 |
| 細(xì)胞焦亡化合物庫 Pyroptosis Compound Library |
收錄了 400+ 種細(xì)胞焦亡相關(guān)產(chǎn)品，主要靶向焦亡信號通路中主要靶點，可以用于細(xì)胞焦亡信號通路及相關(guān)疾病的研究 |
| 細(xì)胞凋亡化合物庫 Apoptosis Compound Library |
收錄了 1000+ 種凋亡相關(guān)產(chǎn)品，主要靶向凋亡信號通路種主要靶點，可以用于細(xì)胞凋亡信號通路及相關(guān)疾病的研究描述 |
| 自噬化合物庫 Autophagy Compound Library |
提供 900+ 種自噬信號通路相關(guān)的產(chǎn)品，是研究自噬相關(guān)調(diào)控及疾病的有用工具 |
| 鐵死亡化合物庫 Ferroptosis Compound Library |
收集了 400+ 鐵蛋白信號通路相關(guān)化合物，具有鐵蛋白誘導(dǎo)或抑制活性。是研究鐵作用機理的有用工具 |
| 基于 WST-8 的廣泛應(yīng)用于細(xì)胞活性和細(xì)胞毒性檢測的快速、高靈敏度試劑盒。 | |
| JC-1 試劑盒 JC-1 Mitochondrial Membrane Potential Assay Kit |
以 JC-1 為熒光探針，快速靈敏地檢測組織、細(xì)胞或純化的線粒體跨膜電勢差的試劑盒，可以用于早期的細(xì)胞凋亡檢測 |
| 7-Aminoactinomycin | 熒光 DNA 染色劑 |
| Propidium Iodide | 用于細(xì)胞染色的紅色熒光染料 |
| Erastin | 鐵死亡誘導(dǎo)劑 |
參考文獻(xiàn)
1. Mirosław Godlewski , et al. Programmed Cell Death - Strategy for Maintenance Cellular Organisms Homeostasis. Postepy Hig Med Dosw (Online). 2016 Dec 20;70(0):1229-1244.
2. Ge Yan, et al. Multiple cell death modalities and their key features (Review). WORLD ACADEMY OF SCIENCES JOURNAL. 2: 39-48, 2020.
3. Si Ming Man, et al. Molecular mechanisms and functions of pyroptosis, inflammatory caspases and inflammasomes in infectious diseases.Immunol Rev. 2017 May;277(1):61-75.
4. Jianjin Shi, et al. Pyroptosis: Gasdermin-Mediated Programmed Necrotic Cell Death. Trends Biochem Sci. 2017 Apr;42(4):245-254.
5. Douglas R Green. The Coming Decade of Cell Death Research: Five Riddles. Cell. 2019 May 16;177(5):1094-1107.
6. Yuan Fang, et al. Pyroptosis: A New Frontier in Cancer. Biomed Pharmacother. 2020 Jan;121:109595.
7. Susan L Fink, et al. Apoptosis, Pyroptosis, and Necrosis: Mechanistic Description of Dead and Dying Eukaryotic Cells. Infect Immun. 2005 Apr;73(4):1907-16.Linde Duprez, et al. Major Cell Death Pathways at a Glance. Microbes Infect. 2009 Nov;11(13):1050-62.
8. Yuan Fang, et al. Pyroptosis: A new frontier in cancer. Biomed Pharmacother. 2020 Jan;121:109595.
9. Yaron Fuchs, et al. Live to Die Another Way: Modes of Programmed Cell Death and the Signals Emanating From Dying Cells. Nat Rev Mol Cell Biol. 2015 Jun;16(6):329-44.
10. Tessa Bergsbaken, et al. Pyroptosis: host cell death and inflammation. Nat Rev Microbiol. 2009 Feb;7(2):99-109.
11. Sushmita Jha, et al. Inflammasome-Associated Nucleotide-Binding Domain, Leucine-Rich Repeat Proteins and Inflammatory Diseases. J Immunol. 2009 Dec 15;183(12):7623-9.
12. J C Ameisen. On the Origin, Evolution, and Nature of Programmed Cell Death: A Timeline of Four Billion Years. Cell Death Differ. 2002 Apr;9(4):367-93.
13. Gladys O Latunde-Dada. Ferroptosis: Role of Lipid Peroxidation, Iron and Ferritinophagy. Biochim Biophys Acta Gen Subj. 2017 Aug;1861(8):1893-1900.
