细胞焦亡与炎症发生研究进展

刘超英，高 洪，严玉霖，富国文，赵 汝

(云南农业大学动物科学技术学院，云南昆明 650201)

细胞焦亡与炎症发生研究进展

刘超英，高 洪*，严玉霖，富国文，赵 汝

(云南农业大学动物科学技术学院，云南昆明 650201)

真核细胞能够启动多种不同的自杀程序，非炎性的和促炎性的细胞死亡程序均可引起细胞应答，从而导致重要系统生理反应的发生。焦亡是一种由caspase-1依赖性介导的新的促炎程序性细胞死亡方式，伴有大量促炎因子的释放并诱发级联放大的炎症反应，对控制微生物感染非常关键。在不断的进化过程中，病原体为增强自身引发疾病的能力出现了抑制焦亡的机制，即通过宿主细胞和病原体的竞争关系控制焦亡的发生，竞争结果可直接影响宿主细胞内炎症的爆发甚至细胞的存亡。论文对细胞焦亡的机制和特征、NLRs与炎症小体、炎症因子的形成和分泌的研究进展进行了综述，以期为炎症机制的研究提供参考。

焦亡；半胱天冬酶1；炎症小体；Toll样受体；Nod样受体；白细胞介素1β；白细胞介素18

细胞死亡可以由多种生化途径引发，并出现不同的形态学和生理学反应[1]。细胞凋亡是目前得到最广泛认知的一种细胞程序性死亡，该过程主要受到半胱天冬酶(cysteine-dependent aspartate-specific proteases，caspase)的调控[2]。除凋亡外，还有其他几种内因性途径对细胞的自杀过程起积极作用。例如自噬、细胞胀亡和焦亡(pyroptosis)等。焦亡是一种依赖caspase-1的程序性细胞死亡途径，该途径可由一系列的细菌感染和非感染性刺激引发[3-5]。caspase-1是一种蛋白酶，能够激活白介素1β(interleukin 1β，IL-1β)和白介素18(interleukin 18，IL-18)前体物质，也可通过使质膜破裂并释放促炎性细胞内容物引起细胞快速死亡，介导焦亡的发生，最初被称为IL-1β转化酶[6]。

1 焦亡的机制和特征

细胞凋亡和细胞焦亡之间存在显著差异。凋亡过程的发生主要依赖caspase-3、caspase-6和caspase-8等多种酶，细胞内容物由膜包裹后，巨噬细胞对其进行非炎症性吞噬；而焦亡的主要特征是具有caspase-1依赖性，并伴随细胞质膜的快速裂解和促炎性细胞内容物的释放[7-9]。

多种致病菌，如伤寒沙门菌、铜绿假单胞菌和志贺菌等，以及细菌毒素，如炭疽杆菌致死毒素等，均能够激活caspase-1途径[10-11]。焦亡的发生途径包括经典焦亡途径和非经典焦亡途径。经典焦亡途径中，核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白1(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 1，NLRP1)、NLRP3等模式识别受体可与半胱氨酸蛋白酶1前体(Pro-caspase-1)结合形成炎症小体，在病原微生物的刺激下，炎症小体可以将Pro-caspase-1加工成成熟的caspase-1，从而促进IL-1β和IL-18的成熟和释放，引发炎症反应[12]。非经典焦亡途径中，革兰阴性菌中的脂多糖首先可与caspase-4、caspase-5和caspase-11结合，然后通过与经典焦亡现象相似的途径引发焦亡过程[13]。两种途径的最终结果均可增大质膜的孔径，降低细胞离子梯度，使细胞渗透压增加并吸水，从而导致细胞肿胀，最终发生渗透性溶解，并释放炎性细胞内容物。染色质DNA的裂解常被视为凋亡的关键特征，然而，在焦亡中也会发生DNA损伤。焦亡中的DNA裂解是由caspase-1激活的一种核酸酶引起的，这种酶不能裂解完整的DNA并产生典型的低聚糖核小体DNA片段模型，因此，焦亡的细胞核具有完整性[14-15]。

2 NLRs与炎症小体

核苷酸结合寡聚化结构域(nucleotide-binding oligomerization domain,Nod)Nod样受体(Nod-like receptors，NLRs)蛋白炎症体(pattern-recognition receptors，PRRs)与Toll样受体(Toll like receptors，TLRs)均为模式识别受体。焦亡过程中的炎症小体主要由NLRs、适配器蛋白含胱天氨酸酶募集结构域的凋亡相关斑点样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC)和caspase-1三部分组成[16-20]。

致病性微生物的入侵或组织损伤可使宿主产生应答，并形成“危险”信号。Toll样受体可以启动信号级联反应对细胞外“危险”信号进行应答，这一级联反应能够激活细胞炎症因子，如肿瘤坏死因子(tumour necrosis factor，TNF)、IL-6、IL-8和Ⅰ型干扰素(type Ⅰ interferons，IFNs)等[21]。NLRs识别“危险”信号后，可利用它们的核苷酸结合结构域进行核苷酸依赖性寡聚化。凋亡相关点样蛋白(apoptotic speck-like protein containing a CARD，ASC)含有半胱氨酸蛋白酶激活和募集结构域并能与caspase-1互作。一些NLRs(如NLRP3)可结合到ASC上并对caspase-1进行处理和激活[22-25]。而NLRC4含有一个caspase激活和募集结构域(caspase activation and recruitment domain，CARD)，在过表达时可与caspase-1直接发生互作。Nod样受体核苷酸结合寡聚域样受体蛋白1(nucleotide binding oligomerization domain-like receptor 1，Nod1)和Nod2在识别配体后也可引发信号级联反应，对细菌感染和毒素入侵作出应答，释放成熟的炎症因子。NLRs与TLRs均可增强对由ATP处理和耶尔森菌感染所引起的NLR介导的caspase-1激活的敏感性，它们也可刺激pro-IL-1β的产生和胞内累积[10,12,17]。因此，TLRs、Nod1和Nod2可引起细胞内caspase-1的激活并产生大量的IL-1β和IL-18，引发炎症级联放大反应。有研究表明，在既定刺激下，单个NLR可以使caspase-1发生激活，并可在体外观察到炎症小体[26-27]。然而，其他的数据表明多个NLR之间的互作可能更有助于炎症小体的形成[28]。例如，神经元凋亡抑制蛋白5(neuronal apoptosis inhibitory protein 5，NAIP5)能够影响军团杆菌激活caspase-1的能力。NAIP5含有一个病原体敏感性亮氨酸重复序列(leucine-rich-repeat，LRR)并能够与NLRC4结合，但其在炎症小体中的确切作用尚不清楚[29]。

微生物感染可引起细胞损伤及宿主危险信号的释放，刺激caspase-1的激活。在以沙门菌或炭疽杆菌致死毒素处理后，可在显微镜下观察到细胞内的炎症小体，此时炎症小体可以激活在单个炎症复合体中和细胞质中弥散分布的caspase-1[30]。在无NLR的情况下，衔接蛋白ASC能够自我结合并形成相似大小的复合体。然而，在ASC缺陷的巨噬细胞中，沙门菌引发的caspase-1激活量有所减少。这一研究表明，虽然在ASC缺失的情况下，NLRC4也可以与caspase-1结合，但是ASC的存在能够促进caspase-1的激活。因此，对炎症小体的有效成分进行深入透彻的研究，有助于了解其在caspase-1活性的调控中的作用方式。

3 炎症因子的形成和分泌

在焦亡过程中，炎性因子IL-1β和IL-18的激活和分泌主要依赖于caspase-1。IL-1β可由单核细胞、巨噬细胞和上皮细胞产生，是主要的前炎症细胞因子，能够有效的刺激发热、白细胞组织迁移和多种细胞因子及趋化因子的的表达[31]。IL-18能够诱导γ干扰素(interferon-γ，IFNγ)的产生，对T细胞、巨噬细胞和其他细胞的激活也十分重要[32]。IL-1β和IL-18在一系列炎症性和自身免疫性疾病的发生机理中都起到十分重要的作用。尽管细胞因子并不是细胞死亡程序中所必须的，但它们的产生有助于焦亡细胞炎症反应的发生。IL-1β和IL-18缺少分泌信号，而且它们的释放机制尚未完全明确。caspase-1依赖性的质膜孔的形成目前与巨噬细胞中细胞因子的释放有关，这就表明细胞因子是通过这些孔分泌的。此外，药物抑制并不能阻止细胞膜上孔的形成和细胞因子的分泌，所以细胞因子的分泌和细胞裂解均为caspase-1依赖性膜孔形成的下游结果。

另外，IL-1β和IL-18也可通过其他机制进行分泌和释放。例如，单核细胞可将激活状态的caspase-1和炎症因子底物包裹起来，送入溶酶体，处理后的炎症因子通过溶酶体与细胞表面的融合进行分泌释放。尽管这是一种无焦亡情况下也会发生的细胞因子分泌机制，但最新的研究表明这种机制在单核细胞中可能会受焦亡信号通路的限制[33]。在ATP激活caspase-1的一系列细胞中，如树突细胞、小胶质细胞和巨噬细胞等，均可观察到囊泡中细胞因子的释放。

除上述两种细胞因子外，caspase-1的激活也需要大量的其他炎症因子。激活的caspase-1能够通过一种未知的机制与IL-1α结合并促进IL-1α的分泌。有报道表明，利用脂多糖刺激后，caspase-1缺陷型巨噬细胞内TNF和IL-6的分泌量出现了显著降低[34]。这是因为TLR衔接蛋白(Toll/interleukin-1 receptor domain-containing adapter protein，TIRAP)发生裂解后，caspase-1直接作用于TIRAP从而产生了更多的TNF和IL-6，使TLR2和TLR4配体引发巨噬细胞激活[29]。因此，除IL-1β和IL-18外，caspase-1也能够通过其他细胞因子的应答对炎症反应进行调控。

4 结语

大多数的微生物都能够引发caspase-1的激活，因此细胞焦亡过程中炎症因子产生和病原体复制的相关调控均为caspase-1依赖性过程。病原体可利用毒力因子抑制caspase-1的激活，而宿主细胞在有病原体侵入时就会激活caspase-1的相关通路，两者之间在调控caspase-1活性中形成竞争关系影响细胞的存亡。通常情况下，宿主细胞内的caspase-1依赖程序能够通过释放炎性因子控制微生物的感染，从而保护宿主细胞，但也有研究表明，焦亡的发生可能会使疾病进一步加重，引发级联放大的炎症反应，使细胞崩溃裂解，释放内容物[35]。例如艾滋病患者体内焦亡过程的发生会使HIV感染更多的T细胞，使免疫系统逐渐崩溃[36]。因此，抑制T细胞的焦亡，就有可能增强人体的免疫力来治疗艾滋病。目前，对细胞焦亡与炎症的发生过程的探索和焦亡在疾病治疗中的应用已成为分子生物学和细胞生物学方面的研究热点。由于焦亡过程的发生及炎症因子的释放可直接影响细胞和机体的生理学、形态学及病理学的变化，因此，深入探讨焦亡和caspase-1依赖程序对炎症治疗、宿主细胞免疫应答的作用，在医疗应用方面具有十分重要的意义。

[1] Mohamed L,Vishva M D.Manipulation of host cell death pathways during microbial infections[J].Cell Host Microbe,2013,8(1):44-54.

[2] 高 琦，闻晓波.细胞死亡[J].畜牧兽医科技信息，2016(7)：4-6.

[3] 刘岳衡，王 慧.细胞焦亡：程序性死亡研究新热点[J].临床与病理杂志，2016(7)：1006-1011.

[4] 祁会丽.细胞焦亡激活机制及相关疾病研究进展[J].中华实用诊断与治疗杂志，2016，30(5)：417-419.

[5] Miao E A,Rajan J V,Aderem A.Caspase-1-induced pyroptosis cell death[J].Immunol Rev,2011,243(1):206-214.

[6] Bergsbaken T,Fink S L,Cookson B T.Pyroptosis: host cell death and inflammation[J].Nat Rev Microbiol,2009,7(2):99-109.

[7] 邱 珍，夏中元，周 斌.细胞焦亡的研究进展[J].医学综述，2016(15)：2935-2938.

[8] 雷 倩，易 焘，陈 灿.细胞焦亡效应机制及相关疾病研究进展[J].医学研究生学报，2017(6)：648-652.

[9] 韩 蓉，吴东明，许 颖.细胞焦亡的分子机制及其临床意义[J].生命的化学，2017(2)：255-261.

[10] 黄云帆，彭礼波，张志坚.细胞焦亡与炎症反应的研究进展[J].海南医学，2016(21)：3533-3535.

[11] 苗淑淑，高 洪，严玉霖，等. 细菌感染与细胞焦亡研究进展[J].上海畜牧兽医通讯，2017(1)：20-22.

[12] 陈 瑜，李 艳，余 赟，等.细胞焦亡的分子机制及其在感染性疾病中的作用[J].中国病原生物学杂志，2017(2)：185-188.

[13] Yang D,He Y,Muňoz-Planillo R,et al.Caspase-11 requires the pannexin-1 channel and the purinergic P2X7 pore to mediate pyroptosis and endotoxic shock[J].Immunity,2015,43(5):922-932.

[14] Bergsbaken T,Cookson B T.Macrophage activation redirectsYersinia-infected host cell death from apoptosis to Caspase-1-dependent pyroptosis[J].PLoS Pathog,2007,3(11):e161.

[15] Cervantes J,Nagata T,Uchijima M,et al.Intracytosolic Listeria monocytogenes induces cell death through Caspase-1 activation in murine macrophages[J].Cell Microbiol,2008,10(1):41-52.

[16] Skeldon A,Saleh M.The inflammasomes:molecular effectors of host resistance against bacterial,viral,parasitic,and fungal infections[J].Front Microbiol,2011,2(1):15.

[17] 张跃辉，贺福初，田春艳，等.炎症小体的研究进展概述[J].生命的化学，2015，35(5)：622-626.

[18] Lamkanfi M,Dixit V M.Inflammasomes and their roles in health and disease[J].Annu Rev Cell Dev Biol,2012,28(4):137-161.

[19] Latz E.The inflammasomes: mechanisms of activation and function[J].Curr Opin Immunol,2015,22(1):28-33.

[20] Moltke J V,Ayres J S,Kofoed E M,et al.Recognition of bacteria by inflammasomes[J].An Rev Immunol,2013,31(31):73.

[21] Bortoluci K R,Medzhitov R.Control of infection by pyroptosis and autophagy:role of TLR and NLR[J].Cell Mol Life Sci Cmls,2010,67(10):1643-1651.

[22] Bauernfeind F,Hornug V.Of inflammasomes and pathogens-sensing of microbes by the inflammasome[J].EMBO Mol Med,2013,5(6):814-826.

[23] Guey B,Bodnar M,Manie S N,et al.Caspase-lautoproteolysis is differentially required for NLRP1 band NLRP3 in flammasome function[J].Proc Natl Acad Sci USA,2014,111(48):172541-172546.

[24] Nadatani Y J,Huo X F,Zhang X,et al.The Barrett's epithelial cell,lipopolysaccharide(LPS) induces TLR4 signaling with activation of the NLRP3 inflammasome,pro-inflammatory cytokine secretion and pyroptosis:A potential role for the esophagesl microbiome in Barrett's carcinogenesis[J].Gastroenterology, 2015,148(4):S100.

[25] Hirota S A,Jeffry N,Lueng A,et al.NLRP3 inflammasome plays a key role in the regulation of intestinal homeostasis[J].Inflamm Bowel Dis,2014,17(61):1359-1372.

[26] Faustin B,Lartigue L,Bruey J M,et al.Reconstituted NALP1 inflammasome reveals two-step mechanism of Caspase-1 activation[J].Mol Cell,2007,25(5):713- 724.

[27] 杨斯迪，邓奇峰，黄 瑞，等.炎性小体激活与细胞焦亡的研究进展[J].微生物与感染，2017(3)：192-196.

[28] Lightfield K L,Persson J,Brubaker S W,et al.Critical function for Naip5 in inflammasome activation by a conserved carboxy-terminal domain of flagellin[J].Nature Immunol,2008,9(10):1171-1178.

[29] Lupfer C,Kanneganti T D.Unsolved mysteries in NLR biology[J].Front Immunol,2013,4(4):285.

[30] Labbe K,Sahh M.Cell death in the host response to infection[J].Cell Death and Differentiation,2012,15(9):1339-1349.

[31] 邬秀娣，汤亚微，孙晓彤，等.系统性红斑狼疮患者血清白细胞介素-1家族及白细胞介素-34水平[J].中华临床免疫和变态反应杂志，2016，10(2)：112-116.

[32] 马全英，祝秀梅，安芳兰，等.白细胞介素18研究进展[J].贵州畜牧兽医，2014，38(2)：21-24.

[33] Brough D,Rothwell N J.Caspase-1-dependent processing of pro-interleukin-1β is cytosolic and precedes cell death[J].J Cell Sci,2007,120(5):772-781.

[34] Miggin S M,Pãlssonmcdermott E,Dunne A,et al.NF-κB activation by the Toll-IL-1 receptor domain protein My D88 adapter-like is regulated by Caspase-1[J].Proc Natl Acad Sci USA,2007,104(9):3372-3377.

[35] Higa N,Toma C,Nohara T,et al.Lose the battle to win the war:bacterial strategies for evading host inflammasome activation[J].Trend Microbiol,2013,21(7):342.

[36] 张田勘.细胞焦亡假说与艾滋病防治[N].中国医药报，2014-07-01(006).

ProgressonPyroptosisandInflammation

LIU Chao-ying,GAO Hong,YAN Yu-lin,FU Guo-wen,ZHAO Ru

(FacultyofAnimalScienceandTechnology,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming,Yunnan,650201,China)

Several distinct programmes of self-destruction can be initiated by eukaryotic cells,and non-inflammatory or proinflammatory cell death process can instruct responses of neighbouring cells,which in turn dictates important systemic physiological outcomes.Pyroptosis is a new way of inflammatory programmed cell death,which is mediated by caspase-1 and accompanied by the release of a large amount of proinflammatory factor and inducing a cascade amplification of the inflammatory response.It is crucial for controlling microbial infections.Pathogens have evolved mechanisms to inhibit pyroptosis and enhance their ability to persist and cause disease.There is a competition between host and pathogen to regulate pyroptosis,and the outcome immediately impacts inflammation and life or death of the host.The mechanism and characteristics of pyroptosis and research progress of NLRs and inflammasome,formation and secretion of inflammatory cytokines were reviewed in this paper, so as to provide reference for the study of inflammatory mechanism.

pyroptosis;Caspase-1;inflammasome; Toll-like receptor;Nod-like receptor;interleukin 1β;interleukin 18

2017-03-20

国家自然科学基金项目(31660704)；云南省教育厅科学研究基金项目(2017YJS028)

刘超英(1992-)，女，河南安阳人，博士研究生，主要从事特种经济动物健康养殖方向研究。*

S852.33

:A

:1007-5038(2017)09-0101-04