Caspase-1介导的细胞焦亡

席兴字 王红亮

（新乡学院 河南新乡 453003）

细胞死亡是多细胞生物体在生命活动中的一种重要的生理或病理现象。《细胞生物学》教材中细胞死亡主要包括凋亡、坏死和自噬3种方式。近年来研究人员发现，一些免疫活性细胞如巨噬细胞、树突状细胞等在吞噬病原微生物后通过激活天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶-1（Caspase-1）诱导细胞自杀的现象［1-2］。这种新型细胞死亡方式具有凋亡和坏死的特征，是宿主细胞抵抗病原体感染的一种防御机制，目前称为细胞焦亡（pyroptosis）。本文就细胞焦亡的概念、分子机制和病理生理作用进行简要介绍。

1 细胞焦亡的概念

细胞凋亡（apoptosis）是目前研究最为广泛的程序性细胞死亡方式，它以激活天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶-3（Caspase-3）为核心，导致细胞骨架及细胞内一些关键蛋白降解、诱导DNA有规律性降解，最终导致细胞死亡的一个过程。细胞凋亡的显著形态学特征是：细胞膜保持完整、染色质沿核膜边缘凝集成新月状或帽状突起、形成凋亡小体等。细胞坏死（necrosis）的特点是：细胞膜破裂、染色质DNA随机降解、细胞内容物释放引起周围组织炎症反应。Cookson等［3］在研究宿主细胞抗微生物感染时发现一种新的程序性细胞死亡方式，它既不同于凋亡也不同于坏死，命名为焦亡。细胞焦亡以激活Caspase-1为核心，迅速引起细胞膜破裂、细胞内容物释放引起炎症反应。这与细胞凋亡过程中细胞内容物被双层膜包裹形成凋亡小体，凋亡小体被吞噬细胞吞噬而不引起炎症反应有显著不同。沙门氏菌感染或使用细菌内毒素处理能使宿主细胞膜上形成1.1～2.4 nm的小孔，小孔的形成使细胞内离子平衡丧失、渗透压增加、水分内流、细胞肿胀而裂解、细胞内炎症介质释放出去。Caspase-1阻断剂能够抑制这种小孔的形成。染色质DNA降解是凋亡性细胞死亡的关键事件，它是通过Caspase酶的活化导致DNA酶抑制因子降解，激活的DNA酶在2个核小体之间切割染色质DNA，所以在DNA电泳图谱上出现有规律的梯状条带。细胞焦亡也会出现DNA降解现象，但这是由Caspase-1激活的核酸酶导致的，DNA酶抑制因子并没有降解，DNA切割也不在核小体之间进行，不产生凋亡样的DNA降解片段。细胞焦亡过程中染色质DNA切割和细胞解体都是Caspase-1依赖性的，但染色质DNA降解并不是细胞解体的关键事件。细胞骨架蛋白的降解也在细胞焦亡过程中出现，但其降解机制和在细胞焦亡中的作用尚不清楚。细胞内一些与代谢相关的酶也受Caspase-1依赖性降解或失活，因此，鉴定Caspase-1的底物有助于深入理解细胞焦亡的特征。

2 Caspase-1介导细胞焦亡的分子机制

Caspase-1，以前称作白介素-1（IL-1β）转化酶，是首个被鉴定的哺乳动物Caspases酶，但不参与凋亡性细胞死亡。像所有的Caspase酶一样，Caspase-1在胞质中以非活性前体分子存在。在炎症小体中，Caspase-1前体分子被加工切割形成大小2个亚基，2个大亚基和2个小亚基组装成四聚体才具有酶的活性。炎症小体是由胞质中的一些天然性免疫受体分子如NOD样受体（Nod-like receptors，NLRs）等参与组装的多蛋白复合体，它能够识别细菌、病毒等危险信号分子，并通过接头分子募集和激活Caspase-1，进而产生成熟的炎症介质如IL-1β和IL-18等。根据NLRs蛋白的不同，研究人员命名了4个炎症小体，分别为Nalp-1、Nalp-3、Ipaf和AIM2。Nalp-1识别炭疽杆菌毒素、Ipaf识别细菌鞭毛、Nalp-3则识别多种危险信号分子。多数NLRs由3个不同的结构域组成：N-端Caspase酶激活和募集结构域（caspase activation and recruitment domain，CARD）或 PYD 效应结构域、中央核苷酸结合和寡聚化结构域（NACHT）、C-端亮氨酸重复区（LRRs）。 此外，Nalp-1 的 C-端延长、接纳CARD结构域。受到刺激后，NLRs通过NACHT结构域相互作用而寡聚化。随后，NLRs通过N-端PYD结构域结合凋亡相关微粒蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing CARD,ASC）。ASC是一个接头分子，含有CARD结构域，通过CARD-CARD结构域相互作用募集Caspase-1，导致Caspase-1寡聚化并自我催化而活化。

AIM2炎症小体近期已得到鉴定，通过HIN结构域，AIM2能直接结合双链DNA，导致Caspase-1激活和IL-1β前体成熟。双链DNA依赖性细胞死亡依赖 AIM2、ASC和 Caspase-1等组成的复合体，表现出细胞焦亡特征。

激活Caspase-1是焦亡性细胞死亡的核心执行者，主要作用在质膜上诱导形成离子穿孔，结果是：细胞内渗透压失衡、水分流入、细胞膨胀、最终细胞解体。Caspase-1如何引起细胞焦亡一直没有明确的答案。最近，研究人员发现膜蛋白Gasdermin D（GSDMD）是 Caspase-1的底物分子，被Caspase-1切割后，Gasdermin D产生一个有活性的N-端片段，该片段能与细胞膜紧密结合导致细胞膜形成穿孔［4］。虽然此项研究填补了这个空白，但Caspase-1介导的细胞焦亡不可能仅依赖Gasdermin D，Gasdermin蛋白家族的其他分子是否协同参与细胞死亡效应尚待深入研究。

3 细胞焦亡相关的病理生理作用

作为一种细胞自杀过程，细胞焦亡也是宿主细胞抵抗病原细菌感染的一种防御机制。宿主细胞的死亡破坏了细菌生存的微环境、限制了细菌的繁殖、将病原体暴露给更多的免疫细胞［5］。此外，焦亡细胞释放炎症因子IL-1β和IL-18，促进炎症反应。Mao等用实验证明巨噬细胞吞噬沙门氏菌后诱发的焦亡将细菌暴露出来，吸引更多的中性粒细胞到炎症部位，从而将细菌杀死［6］。因此，细胞焦亡可看作是宿主细胞天然性免疫系统的重要组成部分。细胞焦亡依赖Caspase-1的活化，而Caspase-1的活化与胞内微生物感染控制关系密切。研究发现军团杆菌感染巨噬细胞后激活Caspase-1，导致军团杆菌被包裹形成自噬溶酶体，细菌在溶酶体中被杀死。相反，抑制Caspase-1活性，军团杆菌被包裹形成不成熟的自噬体，不能与溶酶体融合［7］。最新报道，抑制巨噬细胞的焦亡促进巴尔通体（一种致病菌）通过淋巴循环进入血流［8］。可见，细胞焦亡对抗微生物感染控制的重要性。

研究表明病毒感染削弱机体免疫系统与细胞焦亡有联系。Eichholz等发现腺病毒通过诱导炎症小体AIM2的形成介导树突状细胞焦亡［1］。艾滋病的显著病理特征是，HIV感染导致CD4 T淋巴细胞的大量死亡，患者免疫功能丧失。以前认为CD4 T淋巴细胞的死亡属于细胞凋亡，现在认为约95%T淋巴细胞的死亡属于细胞焦亡［9］。T淋巴细胞的死亡及由此导致的慢性炎症吸引更多的细胞死亡，这是HIV感染后导致的恶性循环。用药物抑制Caspase-1活性能够阻断这种恶性循环，有可能开发出一种针对宿主细胞而不是病毒的新型艾滋病治疗药物［9］。

细胞焦亡过度与一些疾病的病理过程有关，例如心肌梗塞、脑缺血、神经退行性疾病、肠炎、内毒素性休克和骨髓异常增生综合症等［10-11］。这些疾病均具有炎症反应和细胞死亡的病理特征。Caspase-1缺陷或用药物抑制其活性，能避免这些疾病相关的炎症反应和细胞死亡［12］。然而在前列腺癌、胃癌和肝癌中却发现细胞焦亡受到抑制，Caspase-1表达丧失现象。研究发现抗癌药物黄连素具有重新激活Caspase-1表达、刺激癌细胞发生焦亡作用［13］。可见，Caspase-1介导的细胞焦亡与上述疾病的病理机理之间的联系值得深入研究。

4 小结

细胞焦亡是宿主细胞以自杀的方式应对病原微生物感染，它涉及Caspase-1的激活和炎症因子 IL-1β和IL-18的成熟和释放，是机体天然性免疫防御反应的组成部分。近年发现，许多疾病进程与细胞焦亡有联系。因此，深入研究细胞焦亡的分子机制、Caspase-1活性的控制与细胞焦亡之间的联系不仅有重要的理论意义，还有可能通过调控细胞焦亡找到治疗相关疾病的靶点。

主要参考文献

［1］Eichholz K,Bru T,Tran T T,et al.Immune-complexed adenovirus induce AIM2-mediated pyroptosis in human dendritic cells.PLoS Pathogens,2016,12(9):e1005871.

［2］Brodsky I E,Medzhitov R.Pyroptosis:macrophage suicide exposes hidden invaders.Current Biology,2011,21(2):R72.

［3］Cookson B T,Brennan M A.Pro-inflammatory programmed cell death.Trends in Microbiology,2001,9(3)：113.

［4］Gaidt M M,Hornung V.Pore formation by GSDMD is the effector mechanism of pyroptosis.EMBO Journal,2016,35(20):2167.

［5］Jorgensen I,Zhang Y,Krantz B A,et al.Pyroptosis triggers pore-induced intracellulartraps(PITs)thatcapture bacteria and lead to their clearance by efferocytosis.Journal of Experimental Medicine,2016,213(10):2113.

［6］Miao E A,Leaf I A,Treuting P M,et al.Caspase-1-induced pyroptosis is an innate immune effectormechanism against intracellular bacteria.Nature Immunology,2010,11(12):1136.

［7］Amer A,Franchi L,Kanneganti T D,et al.Regulation ofLegionellaphagosome maturation and infection through flagellin and host Ipaf.Journal of Biological Chemistry,2006,281(46):35217.

［8］Hong J,Li Y,Hua X,et al.Inhibition of phagocytosisand pyroptosisofmacrophagespromotesBartonella invasion into the bloodstream through lymphatic circulation.Journal of In fectious Diseases,2017,215(2):303.

［9］Doitsh G,Galloway N L,Geng X,et al.Pyroptosisdrives CD4 T-cell depletion in HIV-1 infection.Nature,2014,505(7484):509.

［10］Bergsbaken T,Fink S L,Cookson B T.Pyroptosis:host cell death and inflammation.Nature Reviews Microbiology,2009,7(2):99.

［11］Sallman D A,Cluzeau T,Basiorka A A,et al.Unraveling the pathogenesis of MDS:the NLRP3 inflammasome and pyroptosis drive the MDS phenotype.Frontiers in Oncology,2016(6):151.

［12］Hu Z,Murakami T,Suzuki K,et al.Antimicrobial cathelicidin peptide LL-37 inhibits the pyroptosis of macrophages and improves the survival of polybacterial septic mice.International Immunology,2016,28(5):245.

［13］Chu Q,Jiang Y,Zhang W,et al.Pyroptosis is involved in the pathogenesis of human hepatocellular carcinoma.Oncotarget,2016,7(51):84658.