细胞焦亡的分子机制及其在肿瘤中的研究进展

潘旭红 李林俞 陈 鑫 周 璇 李红玲

1.甘肃中医药大学第一临床医学院，甘肃兰州 730000；2.甘肃省人民医院肿瘤内科，甘肃兰州 730000

细胞死亡是生命的最基本问题之一，在生物体的进化、调节机体细胞增殖和分化平衡、维持机体内环境稳态中起着至关重要的作用。人们对细胞死亡的认识经历了一个漫长的过程，随着研究的不断细化深入，细胞死亡形式基于不同划分标准，也出现了多种不同的种类。目前，细胞死亡命名委员会（Nomenclature Committee on Cell Death，NCCD）提出，细胞死亡分为调节性细胞死亡（regulated cell death，RCD）和意外细胞死亡（accidental cell death，ACD），其中发生在生理条件下的RCD 亦可被称作程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD）[1]。RCD是一种具有独特生物学特征且受基因控制的过程，凋亡、坏死性凋亡、焦亡等均属于RCD。

近年来，在这些固有的细胞死亡形式中，细胞焦亡受到了更多的关注。细胞焦亡是PCD的一种新形式，由多种病理因素（如感染、恶性肿瘤等）触发，Gasdermin家族蛋白介导使细胞膜通透性发生改变，细胞形成孔洞，细胞外的水分透过孔道进入细胞，引起细胞肿胀破裂，释放白细胞介素–1β（interleukin–1β，IL–1β）、白细胞介素–18（interleukin–18，IL–18）等炎症因子，促进炎性反应[2]。随着研究的深入，细胞焦亡与肿瘤的关系日益凸显，因此理解细胞焦亡的特征、分子机制及其与肿瘤疾病的关系对于寻找靶向治疗药物提供了一定的新启示。

1 细胞焦亡的分子机制

细胞焦亡于1992年首次由Zychlinsky等[3]发现，以区别于形态学上截然不同的细胞凋亡。1997年，Hilbi等[4]发现痢疾杆菌可以激活宿主细胞中的半胱天冬酶–1（cysteinyl aspartate specific proteinase–1，Caspase–1）。1999年，进一步的研究表明，敲除Caspase–1可以阻断沙门氏菌引起的细胞死亡[5]。2001年，Cookson等[6]率先提出了用“pyroptosis”来描述这种独特的炎性程序性细胞死亡方式，“pyro”意为火，表示炎症因子的释放及一系列炎性反应过程，“ptosis”指下降，表明细胞程序性死亡的本质，“pyroptosis”即为细胞焦亡。根据NCCD的推荐定义[1]：细胞焦亡是由活化后的炎性半胱天冬酶（如Caspase–1/4/5/11）切割Gasdermin蛋白引起质膜穿孔，最终导致细胞死亡的一种调节性细胞死亡形式。

1.1 依赖于Caspase–1的经典焦亡途径

Martinon等[7]在2002年提出炎性小体复合物是构成天然免疫的重要组成部分，是触发Caspase–1活化和IL–1β加工的分子平台。在细胞焦亡的经典路径中，一方面，当NOD样受体（NOD–like receptor，NLR）等感知危险迹象时便会引发炎性小体的组装并激活，接下来Caspase–1的激活便是整个焦亡进程的关键，同时还可促使IL–1β和IL–18的成熟与释放[2]；另一方面，活化的Caspase–1可切割GSDMD，使之形成22 kda C端（GSDMD–C）和31 kda N端（GSDMD–N），接着GSDMD–N在细胞膜上寡聚化形成10～15nm[8]（另有报道21nm[9]）的非选择性通道，离子和水分子等小分子可通过这个孔道进入细胞内部，导致细胞内外渗透压发生变化，细胞吹泡、肿胀、破裂，炎症因子和溶酶体等细胞内容物释放到细胞外，从而诱导细胞焦亡的发生。

1.2 非经典细胞焦亡途径

与经典的焦亡途径一样，非经典细胞焦亡通路的效应蛋白也是GSDMD，不同的是，非经典细胞焦亡通路是由Caspase–11（小鼠）和Caspase–4/5（人类）直接识别，结合革兰氏阴性菌细胞壁中的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）并激活自身的蛋白酶活性。活化后的Caspase–4/5/11直接将GSDMD切割成C段和N端片段，并由GSDMD–N寡聚化形成细胞膜孔隙。这种由Caspase–4/5/11–GSDMD介导的细胞焦亡被称为非经典细胞焦亡，是一个不依赖于Caspase–1的过程[10]。

1.3 其他Caspase诱导的细胞焦亡

Gasdermin蛋白家族中，除前面所述的GSDMD具有焦亡执行蛋白的功能外，还有GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDME（DFNA5）等，均有C端和N端结构域，且N端同样具有质膜打孔功能[11,12]。近年来，人们发现了依赖于Caspase–3/GSDME的细胞焦亡通路，某些化疗药物可诱导活化的Caspase–3切割下游的GSDME，形成GSDME–N端，识别并在细胞膜上打孔，导致细胞肿胀和破裂释放炎症因子而诱导细胞焦亡[13,14]。此外，除了Caspase–3，在发生耶尔森菌感染时可通过YopJ途径抑制转化生长因子β活化激酶1（transforming growth factor–β activated kinase 1，TAK1）的表达激活Caspase–8，切割GSDMD和GSDME，从而诱导细胞焦亡[15]。虽然Caspase–8和Caspase–1在同一位点切割GSDMD，但Caspase–8对GSDMD的处理能力远低于Caspase–1[16]。此外，Caspase–8对于Caspase–11介导的细胞焦亡是必不可少的，二者都是驱动LPS诱导小鼠死亡所必需的[17]。这些观察表明，与Caspase–1和Caspase–11的切割不同，Caspase–8介导的Gasdermin蛋白切割是在特定条件下观察到的，如TAK1失活或耶尔森菌感染。Caspase–8可能是炎性Caspase家族中的一个新成员，具有诱导凋亡和焦亡双重功能。

2 焦亡在肿瘤治疗中的意义

2.1 细胞焦亡与结直肠癌

结直肠癌（colorectal cancer，CRC）是最常见的恶性肿瘤之一，其发病率居癌症死亡的第4位[18]。肝X受体（liver X receptors，LXR）属于核受体家族，Derangère等[19]率先发现LXR激动剂可通过激活LXRβ诱导炎性小体的组装，以依赖于Caspase–1的经典途径诱导CRC焦亡。另外，LXR激动剂可以促使LXRβ绑定到细胞膜上的孔隙半通道蛋白（pannexin–1）上，触发pannexin–1的开放和细胞内ATP的释放，通过激活Caspase–1，诱发细胞焦亡。最近的一项研究发现，洛铂可提高活性氧（reactive oxygen species，ROS）和c–Jun氨基末端激酶（c–Jun N–terminal kinase，JNK）的磷酸化水平，将Bax蛋白募集到线粒体，促进细胞色素C的释放，诱导Caspase–3/ Caspase–9裂解，活化的Caspase–3进一步切割GSDME，最终诱导CRC细胞发生焦亡[20]。GSDME依赖性焦亡是洛铂清除结肠癌细胞的新机制，对临床应用抗癌药物具有重要意义。

2.2 细胞焦亡与胃癌

研究证实，GSDMD在胃癌（gastric carcinoma，GC）细胞中较正常组织表达低，沉默GSDMD可显著促进肿瘤细胞的增生。GSDMD通过抑制胃癌细胞ERK、PI3K/AKT等信号通路而降低细胞周期蛋白cyclin A2和和周期蛋白依赖性激酶2（cyclin–dependent kinase 2，CDK2）的表达抑制细胞周期S/G2转变，促进肿瘤细胞焦亡而发挥抗肿瘤作用[21,22]。Wang等[23]发现，化疗药物可通过激活GC细胞中的Caspase–3切割GSDME来触发细胞焦亡，GSDME在细胞焦亡中的作用与GSDMD在孔隙形成中的作用相同。此外，GSDME可将5–氟尿嘧啶等化疗药物诱导GC细胞发生的Caspase–3依赖性凋亡转变为焦亡[24]。上述研究证明了细胞焦亡与肿瘤发生、发展及治疗密切相关。

2.3 细胞焦亡和食管癌

基于焦亡相关分子对消化道肿瘤的影响，一些药物研究试图通过干预细胞焦亡通路发挥抗癌效果。小剂量的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（polo–like kinase 1，PLK1）抑制剂BI2536联合顺铂（DDP）可通过激活食管鳞癌（esophageal squamous cell carcinoma，ESCC）细胞中凋亡相关蛋白Bax和Caspase–3使GSDME裂解及诱导细胞发生焦亡，并使得ESCC细胞对DDP的敏感性升高，且GSDME高表达的患者对PLK1抑制剂和DDP联合治疗更敏感，其抗肿瘤作用更好[25]，推测GSDME高表达的肿瘤细胞在内源性或外源性应激下更容易发生焦亡，提示GSDME可作为ESCC良好的治疗靶点和预后指标。这一发现可能为未来ESCC的个性化、精确化医学的发展提供一个有前途的方向。

2.4 细胞焦亡和肺癌

Gao等[26]研究发现，GSDMD的高表达与肿瘤大小、侵袭性特征、TNM分期呈正相关，是肺腺癌（lung adenocarcinoma，LUAD）的独立预后生物标志物。与癌旁组织相比，非小细胞肺癌（non–small cell lung cancer，NSCLC）组织中GSDMD蛋白水平显著上调，GSDMD基因敲除可通过内源性线粒体凋亡途径和EGFR/Akt信号通路抑制肿瘤细胞增殖。此外，Wang等[27]证实辛伐他汀可通过NLRP3– Caspase–1–IL–1β/IL–18通路诱导A549、H1299肺癌细胞焦亡，在异种移植小鼠模型中进行验证后提示辛伐他汀有可能成为临床治疗NSCLC的药物，且不会对正常肺细胞产生毒性作用。

2.5 细胞焦亡和乳腺癌

GSDMB在人表皮生长因子受体2（human epidermal growth factor receptor 2，HER2）阳性的乳腺癌（breast cancer，BC）患者中呈较高水平，其高表达与低生存率和高转移率相关，预示着对HER2靶向治疗的低反应性[28]。因此，GSDMB有可能成为BC的一个新标志物，并参与预后的评估。二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）是一种omega–3脂肪酸，Pizato等[29]发现，经DHA处理的BC细胞，Caspase–1和GSDMD活性增加，细胞膜形成孔径，IL–1β分泌增加，最终可诱导细胞发生焦亡，证实了DHA的抗癌作用及其机制。同样，三氯苯达唑通过Caspase–3/GSDME途径诱导MCF–7和MDAMB–231细胞发生焦亡，且在异种移植模型中，三氯苯达唑通过促进Caspase–3和GSDME的切割显著减小了肿瘤体积，这表明诱导细胞焦亡的发生可能是抗癌治疗的新靶点[30]。此外，Wang等[31]发现，仅需要不到15%的肿瘤细胞焦亡就足以清除整个4T1乳腺肿瘤移植物，肿瘤消退的程度与增强的抗肿瘤免疫反应有关，其在免疫缺陷小鼠或T细胞耗尽时不存在，说明炎性小体激活和焦亡的精确调控可能为提高免疫治疗的疗效提供很好的机会。

2.6 细胞焦亡和血液肿瘤

丝氨酸二肽酶DPP8/DPP9是二肽基肽酶4（dipeptidyl peptidase–4，DPP–4）家族中的两个相对较新的成员，Johnson等[32]发现，DPP8/DPP9抑制剂在引起急性髓系白血病（acute myelocytic leukemia，AML）细胞焦亡的同时，还能抑制AML患者来源的异种移植瘤小鼠的生长。这些结果突出了这种小分子DPP8/DPP9抑制剂在治疗AML方面的潜在价值。

骨髓增生异常综合征（myelodysplastic syndrome，MDS）是以骨髓细胞异常增生和无效造血为特征的造血干细胞恶性肿瘤。近期研究表明，造血干/祖细胞中NLRP3–炎性小体诱导的细胞焦亡是MDS无效造血的致病驱动因素，在低危MDS中有针对性地抑制这一途径中的不同步骤，可以恢复有效造血[33]。这为MDS的治疗带来新的希望。

3 细胞焦亡与放化疗不良反应

最新研究已经证实，在高表达GSDME的肿瘤细胞种系中，多种化疗药物可通过Caspase–3/ GSDME介导的细胞焦亡途径诱导肿瘤细胞死亡。Wang等[23]研究证实GSDME基因由于启动子甲基化，导致其在大多数肿瘤细胞种系中呈低表达，在正常细胞种系中广泛高表达；同时还发现，人原代细胞在化疗药物激活Caspase–3后表现出GSDME依赖性细胞焦亡；在体内试验中，相对于野生鼠，GSDME敲除鼠在结核菌素试验或博来霉素作用下引发的肺损伤、炎性反应以及体质量下降均明显减轻，说明GSDME介导的细胞焦亡与化疗引起的不良反应密切相关，化疗药物在抗肿瘤的同时也能诱导高表达GSDME的正常细胞发生焦亡，这可能是化疗产生不良反应的机制之一。

除此以外，细胞焦亡还与放射治疗的不良反应相关。Hu等[34]研究发现，黑色素瘤缺乏因子2（absent in melanoma 2，AIM2）在感知电离辐射诱导的细胞核DNA损伤方面发挥了意想不到的作用。AIM2通过炎性小体途径在肠上皮细胞和骨髓细胞中触发Caspase–1介导的细胞焦亡，而AIM2的缺失可以使小鼠免受辐射诱导的小肠综合征和造血衰竭的影响，这表明阻断AIM2炎性小体活性的药物可有效地减轻放射治疗不良反应。另有研究表明，氧化应激、生物能量损伤以及NLRP3炎性小体的激活均参与了放射性肠损伤，鞭毛蛋白可在肠上皮细胞中抑制辐射诱导的ROS生成，降低NLRP3活性，减少Caspase–1依赖性焦亡的发生，可能成为治疗肿瘤患者放射性肠道损伤的一种潜在的预防性治疗方法[35]。

4 小结与展望

细胞焦亡是一种新型的程序性细胞死亡，近年来在各种疾病中得到了广泛的研究，利用这一途径调节组织发育和动态平衡的研究也得到了重视。细胞焦亡相关因子具有促进或抑制肿瘤发生的双重机制，可通过多种细胞信号通路调节细胞形态、增生、浸润、迁移和化疗耐受性等恶性表型从而影响肿瘤的进展，并且可能与患者的预后有关。同时，细胞焦亡还与化学药物治疗、耐药性及放射治疗的不良反应相关。因此，还需更多的研究来进一步探讨不同肿瘤细胞的焦亡机制，了解细胞焦亡的肿瘤特异性调控机制及信号通路上下游相关蛋白，可以为肿瘤的诊断和治疗提供新思路。