GSDM蛋白家族：调控焦亡参与疾病的进展

吴 珊，陈俊宇,陈莹莹，徐 萍，赵本正，赵淑华*，赵静霞*

(1.吉林大学第二医院，吉林 长春130041；2.吉林大学护理学院)

细胞焦亡是近年来发现的以促炎为特点的细胞程序性死亡，与多种疾病的发生、发展及预后相关。GSDM蛋白家族包括6个成员，可通过多种途径被半胱氨酸蛋白酶caspase切割，暴露其具有活性的N端，后者在细胞膜表面形成孔道，引起细胞肿胀，从而诱导细胞焦亡，最终参与炎症反应、恶性肿瘤及神经系统疾病的发生及发展，并对恶性肿瘤的治疗及预后产生影响。此外，GSDM家族蛋白的单核苷酸多态性(SNP)还参与多种免疫性疾病的发生。

1 介绍

人GSDM蛋白是一类具有Gasdermin结构域的蛋白家族，包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、GSDME(又称DFNA5)及DFNB59共6个家族成员，之间具有45%的序列同源性[1]，与多种疾病(如耳聋、脱发、肿瘤、免疫性疾病、神经系统疾病等)的发生发展密切相关。GSDMA及GSDMB位于人第17号染色体，主要表达于胃肠道细胞，与哮喘及炎症性肠病等免疫性疾病有关。GSDMC及GSDMD位于人第8号染色体，其中GSDMC主要表达于胃、食管及脾脏，与肿瘤的发生发展密切相关；GSDMD主要介导细胞焦亡，参与炎症反应，可能是一种抑癌基因。GSDME位于人第7号染色体，DFNB59位于人第2号染色体，分别为常染色体显性及隐性遗传基因，均在心、脑和肾脏表达，并与听力丧失有关。此外，GSDME可介导肿瘤细胞焦亡，参与化疗药物的耐药及不良反应。

2 GSDM蛋白家族与焦亡

细胞焦亡(pyroptosis)是以促炎为特点的一种细胞程序性死亡，依赖于炎性半胱氨酸蛋白酶caspase-1/4/5/11及凋亡半胱氨酸蛋白酶caspase-3的活化，而且其细胞死亡形态有别于凋亡及坏死。细胞焦亡有利于机体清除入侵的病原微生物，但这一过程募集大量的炎症细胞，导致的过度炎症反应可造成内毒素性休克等。此外，细胞焦亡在神经系统疾病、动脉粥样硬化及免疫系统疾病的发生、发展中也发挥重要作用。

细胞焦亡的过程为：细胞膜上形成众多孔隙，细胞膜失去完整性，膜屏障功能丧失，致使细胞肿胀溶解、DNA 断裂并释放大量LDH。在此过程中，细胞核保持完整。同时，焦亡细胞释放IL-1β和IL-18，募集更多的炎症细胞，进一步增强炎症反应[2]。Ding等利用HEK293T细胞的研究发现，除DFNB59外，GSDM家族蛋白均具有N端和C端结构域，有活性的N端结构域释放后可在细胞膜上形成孔道，诱导细胞焦亡[3]。

2.1GSDMB与焦亡

GSDMB的主要作用是调节上皮细胞的生长和分化，其诱导细胞焦亡的机制尚不明朗。在HEK293T细胞中，GSDMB被caspase-3/6/7切割后，形成具有活性的GSDMB-N端，并诱导细胞发生焦亡。GSDM家族其他蛋白的C端对N端有自抑制作用，但GSDMB的C端并不抑制其N端与细胞膜脂质结合，其N端与脂质特异性结合的调节机制尚不明确[4]。

2.2GSDMD与焦亡

GSDMD是目前GSDM蛋白家族中研究最多、机制研究最完整的一种细胞焦亡相关蛋白，主要通过依赖caspase-1的经典细胞焦亡途径，以及依赖caspase-4/5/11的非经典细胞焦亡途径，诱导细胞发生焦亡。

2.2.1病原体促进caspase-1/4/5/11前体成熟化 在经典炎症小体信号通路中，各种模式识别受体(NLRP1、NLRP3、NLRC4、Pyrin及AIM2等)通过衔接蛋白ASC(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD)与caspase-1前体结合，形成炎症小体。其中，NLRP1和 NLRC4还可不依赖ASC与caspase-1直接结合。炎症小体一旦形成，即可对caspase-1前体进行加工，使之形成有活性的Cleaved caspase-1(C cas-1)。C cas-1进一步促进IL-1β及IL-18的前体成熟，形成有活性的IL-1β和IL-18并分泌到细胞外，募集炎症细胞，增强炎症反应[5]。

在非经典炎症小体信号通路中，各类革兰阴性细菌如鼠伤寒沙门氏菌、伯克氏菌及福氏志贺杆菌[6]等感染细胞后释放LPS，LPS可直接结合并激活 caspase-4、caspase-5与caspase-11，启动细胞焦亡[7]。

2.2.2caspase切割GSDMD形成有活性的N端 Shi等利用GSDMD基因敲除鼠发现，GSDMD-/-鼠细胞焦亡的数量明显减少。进一步的实验证实，GSDMD位于caspase-4/11和caspase-1下游，被caspase切割后，形成活性基团GSDMD-N端，使TNF-α诱导的细胞凋亡向焦亡转化[8]。Kayagaki等发现，在HEK293T细胞系中，GSDMD全长及GSDMD-C端对细胞无杀伤作用，GSDMD-N端可诱导细胞出现剂量依赖性的细胞毒作用并导致其发生形态学变化[9]。以上数据表明，GSDMD-C端对N端具有自抑制作用。随后，以HEK293T细胞进行的免疫共沉淀实验证实，GSDMD-C端和GSDMD-N端可结合成稳定的复合物。由此得出结论，在不同病原体的刺激下，caspase-1,4,5,11激活，并将GSDMD切割成具有活性的GSDMD-N端和具有自抑制作用的GSDMD-C端，前者与细胞膜的脂质结合，致使细胞内容物释放，导致细胞死亡[7]。此外，GSDMD虽然与IL-1β前体的成熟无关，却可介导IL-1β分泌，是成熟IL-1β分泌到细胞外的必要条件[8,10]。

2.2.3GSDMD-N端在脂质双分子层中形成环状多聚体 GSDMD被caspase-1/4/5/11切割后，其N端特异性地与细胞膜内页的心磷脂及磷脂酰肌醇等脂质结合，并定位于细胞膜形成多聚体。脂质双分子层的组成成分对细胞膜流动性、曲率、压缩性、脂筏形成及弹性等具有重要影响，这些特性与心磷脂、磷脂酰肌醇等特异性脂质共同促使GSDMD-N端从内页插入细胞膜[7]。

2.2.4GSDMD-N端形成细胞膜孔 细胞焦亡是由细胞膜孔形成、细胞内容物流出所导致的细胞涨亡。研究发现，直径≤10 nm的分子可通过GSDMD-N孔，与显微镜下测得的孔内径相一致，说明GSDMD-N端在细胞膜上形成的环状结构即脂质体表面形成的功能孔。因此，细胞内多种成分通过GSDMD-N孔外流，导致细胞肿胀、溶解，并最终发生焦亡[7]。

2.3GSDME与焦亡

GSDME最初作为耳聋基因而为人所知，且其可通过诱导细胞凋亡而影响恶性肿瘤化疗[11]。最新实验表明，GSDME可诱发焦亡。在TNF或化疗药物诱导下，caspase-3表达上调并活化为Cleaved caspase-3(C cas-3)，GSDME被C cas-3切割后，其C端的自抑制作用解除，释放出有活性的GSDME-N端，促使细胞膜孔形成，导致细胞肿胀，进而引起细胞膜破裂，发生焦亡[12]。

3 GSDM蛋白家族与疾病

3.1GSDM蛋白家族与免疫性疾病

除胃肠道细胞外，GSDMA还表达于皮肤和乳腺，参与上皮组织的角化过程[13,14]，其单核苷酸多态性(SNP)与系统性硬化症有关[15]。GSDMA和GSDMB的SNP参与哮喘、克罗恩病、溃疡性结肠炎等自身免疫病[12,16,17]。其中，GSDMA主要与女性哮喘有关，其机制可能由于启动子的低甲基化[16]，而GSDMB主要与儿童期哮喘相关[18]。

3.2GSDM蛋白家族与炎症

研究发现，GSDM家族蛋白可通过诱导细胞焦亡，释放促炎性细胞因子，促进炎症细胞募集，参与炎症反应。此外，GSDMD的N端可特异性地与磷脂酰肌醇、磷酯酰丝氨酸及心磷脂结合，而心磷脂是一些细菌细胞膜的重要成分[1]，可参与李斯特菌、沙门杆菌、金黄色葡萄球菌、大肠埃希菌和福氏志贺菌等多种感染性疾病的炎症过程[6,19]。

3.3GSDM蛋白家族与肿瘤

GSDMA在胃癌及食管鳞癌细胞中表达下调，可通过TGF-β依赖的凋亡信号通路诱导细胞凋亡，因此，GSDMA可能是一种抑癌基因[1,13]。

在肝癌、胃癌及宫颈癌等恶性肿瘤中，GSDMB过表达与肿瘤的侵袭相关。在乳腺癌，GSDMB高表达与患者的低生存率及高转移率有关，对于HER2阳性乳腺癌，GSDMB过表达预示HER2靶向治疗的低反应性[20]。因此，GSDMB可能成为一种新型的乳腺癌标志物，参与预后的评估。

GSDMC在正常结直肠组织中不表达，而在结直肠癌组织中高表达。Masashi Miguchi等研究发现，在结直肠癌中，TGFBR2常发生失活突变，导致GSDMC表达上调，诱导肿瘤细胞增殖，促进肿瘤发生。因此推断GSDMC是一种癌基因，可能作为TGFBR2突变型结直肠癌治疗的新靶点。然而，与正常胃及食管组织相比，GSDMC在胃癌及食管癌细胞中表达下调，可能发挥抑癌基因的功能。此外，GSDMC在正常上皮细胞中不表达，而在恶性黑色素瘤中表达，可能与细胞的侵袭和转移潜能有关[13,21]。因此GSDMC在肿瘤中的作用可能存在器官特异性。

研究发现，肝细胞癌中GSDME的表达水平显著低于正常细胞，上调GSDME表达后，细胞增殖受到抑制，因此GSDME可能是一种抑癌基因[22]。相对于炎性caspase，5-FU、盐酸阿霉素、顺铂及依托泊苷等化疗药物更易激活caspase-3，在表达GSDME的胃癌细胞中，5-FU可通过上调并激活caspase-3，从而切割GSDME来促进细胞焦亡[12]。此外，GSDME可影响化疗药物的敏感性及不良反应。Lage H等敲除恶性黑色素瘤细胞的GSDME后，细胞对依托泊苷的抗药性增加，而上调GSDME的表达后，细胞对依托泊苷的敏感性增加。在胃癌、结直肠癌及乳腺癌等肿瘤细胞中，GSDME可因启动子甲基化而表达下调，以DNA甲基化酶抑制剂地西他滨处理后，可诱导肿瘤细胞中GSDME表达上调，从而使肿瘤细胞对化疗药物更加敏感，并发生焦亡。然而，由于GSDME在肾、脾、小肠及睾丸等正常组织中表达，化疗药物可通过GSDME介导的细胞焦亡杀死正常组织细胞，这可能是化疗药物产生不良反应的重要原因之一[12]。

3.4GSDM家族与神经系统疾病

研究发现，在不同的刺激下，神经元可通过经典炎症小体信号通路激活caspase-1，后者切割GSDMD并进而促进IL-1β和IL-18等促炎性细胞因子的产生与释放，从而诱导细胞焦亡[23，24]。在脑血管疾病，NLRP1及NLRP3炎症小体可通过参与缺血性卒中的炎性反应，促进IL-1β等促炎因子的成熟与释放，介导细胞凋亡与焦亡，从而造成神经元损伤并影响脑梗死的预后[25]。在阿兹海默病(AD)，患者大脑内NLRP1及NLRP3等炎症小体相关蛋白的异常表达，β-淀粉样蛋白及错误折叠蛋白质的堆积可激活炎症小体NLRP1，后者通过caspase-1切割GSDMD，诱发细胞焦亡，引起神经元缺失，加重神经退行性病变[26]。动物实验发现，抑制NLRP1/caspase-1的活性从而抑制GSDMD导致的神经元细胞焦亡，可有效减少神经元缺失，减少癫痫发作次数、推迟发作时间并降低发作严重程度[27]。

4 总结与展望

细胞焦亡是近年来发现的一种新的细胞程序性死亡方式，与炎症反应、代谢性疾病、动脉粥样硬化、神经系统疾病及肿瘤的发生密切相关。GSDM蛋白家族是介导细胞焦亡的一组重要蛋白，如何通过下调GSDMD来预防过度的炎症反应，从而避免内毒素性休克仍需进一步研究。在对恶性肿瘤进行化学治疗时，可根据GSDME表达水平选择合适的化疗药物，诱导肿瘤细胞内GSDME表达上调，从而提高化疗药物的敏感性并减少耐药，是今后研究的重心。此外，还应积极寻找GSDM家族其他蛋白与肿瘤的关系，为肿瘤的化学治疗提供新的方向。因此，深入研究GSDM家族诱导细胞焦亡的机制，有助于认识该家族在疾病的发生、发展及转归中的作用，为疾病提供新的治疗靶点。