细胞焦亡在胃癌中的生物学作用研究进展*

付宇蕾 罗业浩 方刚 综述 庞宇舟 审校

细胞焦亡是由Gasdermin（GSDM）家族蛋白诱导的程序性细胞死亡，表现为细胞质膜形成膜孔，细胞膜破裂，内容物释放[1]。在形态学特征上，发生焦亡的细胞和凋亡一样可出现DNA损伤、核固缩，但细胞核较凋亡保持完整，DNA损伤程度较凋亡低，TUNEL染色呈阳性。其次，细胞焦亡过程中会形成质膜孔隙，导致细胞肿胀和渗透溶解，大量炎症因子释放[2]。随着研究的深入，细胞焦亡在癌症中的生物学作用日益凸显。本文基于细胞焦亡的分子机制及胃癌与细胞焦亡的相关研究探讨该生物学过程在胃癌中的作用，为胃癌的治疗提供新的思路。

1 细胞焦亡定义及机制

细胞焦亡的定义从发现至今经过了多次变化。细胞死亡命名委员会（NCCD）在2018年将其修正为：一种依赖于Gasdermin家族蛋白诱导细胞质膜形成膜孔的可调控的细胞死亡，通常但不总因炎症性Caspase的活化而完成[1]。

细胞焦亡涉及几个关键组分：炎症小体、Caspase家族、Gasdermin家族。

炎症小体是一种细胞内多蛋白信号复合物，通常围绕模式识别受体（pattern-recognition receptors，PRR）组装完成[2]。PRR可识别胞内病原相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）、损伤信号（damage-associated molecular patterns，DAMPs）从而激活Caspase家族蛋白诱导细胞焦亡[3]。PRR家族通常包括Toll样受体（Toll-like receptors，TLRs）、NOD样受体（NOD-like receptors，NLRs）等，受体激活Caspase家族蛋白诱导细胞焦亡，但若受体上不含Caspase招募结构域（Caspase activation and recruitment domain，CARD），则另需通过（pyrin-like domain，PYD）结构域与含有CARD结构域的凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing a caspase recruitment domain，ASC）结合，最终通过CARD结构域激活Caspase家族蛋白诱导细胞焦亡[4]。例如目前研究较多的可介导细胞焦亡的受体有NLRs家族，NLRs是一组种系编码的天然免疫受体，存在于免疫细胞的细胞质中[5]。依据N端不同，NLRs可至少分为5大类：如包含酸性反式激活域的NLRA、包含BIR结构域（baculoviral IAP repeat，BIR）的NLRB、包含CARD结构域的NLRC、包含PYD结构域的NLRP，以及NLRX族的NLRX1，一种同时缺乏CARD及PYD结构域，但包含线粒体靶向序列的非典型N端结构域等；非NLR家族蛋白也可形成炎性小体，如包含PYD结构域的黑色素瘤缺乏因子2（absent in melanoma 2，AIM2）、干扰素诱导蛋白16（interferon inducible protein 16，IFI16）、视黄酸诱导基因蛋白I（retinoic acid inducible gene，RIG-1）、Pyrin等[6]。炎症小体形成使Caspase活化，诱导细胞焦亡。

Caspase家族即含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（Cys-Asp specific proteinase）家族。该类蛋白酶以Cys为活性中心，可以识别特定序列的Asp位点进行水解。Caspase家族有炎性Caspase和凋亡Caspase两种。哺乳动物中炎性Caspase有Caspase 1/4/5/1112[7]。凋亡的Caspase在功能上又可分为启动子（Caspase 8、9和10）和效应子（Caspase 3、6和7）[8]。细胞焦亡由Caspase-1诱导的经典焦亡通路和非Caspase-1诱导的非经典焦亡通路，如鼠源性Caspase-11和人源性Caspase-4/-5可直接识别结合病原微生物的LPS介导细胞焦亡。Caspase作用于Gasdermin蛋白，并将其裂解为N端和C端。N端结构域可作用于细胞膜上导致胞膜空洞，导致细胞裂解死亡[9]。

Gasdermin家族是焦亡的最终效应蛋白，在被Caspase切割后，暴露活性结构域N端，结合膜脂质，破坏膜的完整性。如GSDMD自身的N端C端结构处于自抑制状态，经Caspase切割后可以产生GSDMDN、GSDMD-C两个肽段。其中GSDMD-N可以结合膜脂质，破坏其完整性，使细胞膜破裂引起焦亡[10]。其他的家族成员GSDMC、GSDME、GSDMA也具有这种功能[11]。

综上所述，细胞焦亡有经典炎症小体信号通路和非经典炎症小体信号通路：经典炎症小体信号通路中，病原及损伤性信号、活化炎症小体受体和（或）与衔接蛋白结合活化Caspase-1，介导IL-1/IL-18活化的同时剪切Gasdermin蛋白，暴露蛋白特定活性端，结合膜脂质，破坏其完整性，使细胞膜破裂引起焦亡；非经典炎症小体信号通路中胞内菌LPS直接活化部分Caspase蛋白，剪切Gasdermin蛋白，介导细胞焦亡。

2 胃癌与细胞焦亡

胃癌的发生是一个复杂的、多因素、多阶段的事件。从胃炎、肠上皮化生、低级别上皮内瘤变、高级别上皮内瘤变到胃癌的发生、发展确切机制尚不明确。其涉及生物学过程繁多，包括 DNA氧化损伤、微卫星不稳定性、体细胞突变、原癌基因和抑癌基因的改变、细胞黏附分子、细胞凋亡、细胞焦亡、血管生成、组织浸润和转移等[12]。其中细胞焦亡与癌症的关系是复杂的，在不同的组织遗传背景下，细胞焦亡对癌症的影响是不同的。一方面，细胞焦亡可以抑制肿瘤的发生和发展；另一方面，细胞焦亡作为促炎性死亡的一种，可以为肿瘤细胞的生长形成适宜的微环境，从而促进肿瘤的生长。

2.1 细胞焦亡可能促进胃癌发展

炎症可促进胃癌的发生发展，炎症促使慢性胃炎向胃癌转化。例如幽门螺杆菌可以在NLR家族成员（如NLRP3、NLRC4、NLRP6、NLRP7和NLRP12）的帮助下诱导caspase-1介导的proIL-1β和proIL-18向IL-1β/ IL-18转化，促炎因子继续募集免疫细胞构成局部免疫网络[13]诱导细胞的“炎-癌”转化。此外，炎性细胞产生的细胞因子如肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α），也会在恶变前细胞中诱导活性氧（reactive oxygen species，ROS）和活性氮自由基(reactive nitrogen species，RNS)的积累[14]。当DNA损伤发生在癌基因或抑癌基因所在的位置时，它将导致癌基因的解锁以及抑癌基因的功能丧失突变[15]。一旦恶性或幼稚肿瘤细胞出现，肿瘤本身就可能引发癌症相关的炎症。癌组织中的炎性微环境在上皮-间质转化，血管生成和转移方面起到重要作用，同时炎性环境还使癌症对免疫攻击的抵抗力增强[16]。

GSDMB在大多数正常胃组织中不表达，大多数癌前病变组织中GSDMB呈中度表达，而大多数癌组织中GSDMB表达水平较高，对GSDMB进行扩增后的平板克隆实验显示其对胃癌细胞无生长抑制作用，这些发现表明GSDMB可能是一种癌基因，其过度表达可能与肿瘤的侵袭有关[17-18]。另一项研究发现在消化道上皮肿瘤中高表达的GSDMB能被细胞毒性T淋巴细胞分泌的颗粒酶A切割，诱导癌细胞焦亡[19]。

有研究发现3/4的肠型胃癌中过度表达的炎症小体接头蛋白ASC，在胃炎中未发现过度表达，其效应因子IL-18促进了胃癌的发展[20]。上述研究提示细胞焦亡可能部分程度上在胃癌发生发展中起促进作用。

2.2 细胞焦亡也有抗癌作用

CD8+T细胞通过细胞焦亡杀死肿瘤细胞，这可能与细胞焦亡可协同增强免疫检查点抑制剂（immune checkpoint inhibitors，ICIs）抗肿瘤作用相关，甚至在ICI抵抗肿瘤中也显示此疗效[21]。癌细胞具有逃脱程序性细胞死亡并进入永生阶段的能力，在细胞焦亡方面也不例外，研究表明GSDME的启动子在多种癌症细胞被甲基化，这一表观修饰抑制GSDME在癌细胞的表达[22]。有研究对89例原发癌组织中GSDME基因甲基化模式进行分析，其中52%的组织显示GSDME启动子甲基化异常。与转染空载体的细胞相比，转染GSDME的癌细胞克隆数和细胞生长抑制率降低[23]。进一步研究发现来自杀伤细胞（natural killer cell，NK）的颗粒酶（granzyme B，GzmB）能够直接切割GSDME，激活癌细胞焦亡，抑制肿瘤生长，这一抑制作用依赖自然杀伤细胞和CD8+T细胞的介导[24]。部分研究从侧面证实了这一观点，组蛋白甲基转移酶抑制剂（histone methyltransferase inhibition，HMTi）BIX01294可通过激活胃癌细胞中的自噬潮，诱导GSDME介导的细胞焦亡，提高化疗药物的疗效[25]。二甲双胍可通过Caspase3-GSDME介导的细胞焦亡抑制癌细胞[26]。化疗可通过BAK/Bax-Caspase-3-GSDME途径介导癌细胞焦亡[27]，但也有研究显示，Gsdme-/-小鼠不受化疗药物引起的各种组织损伤和体重减轻的影响[28]。因此体内环境下的细胞焦亡更偏向宿主抗癌还是肿瘤发展尚待进一步研究。

GSDMA在上消化道中表达，但在胃癌细胞中沉默，通过调增GSDMA的表达可抑制癌细胞增殖，且GSDMC、GSDMD与GSDMA具有相同效应，共同被认为抑癌基因[17]。但一项研究表明在人胃癌细胞系中恢复GSDMA可以增加它们对转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）诱导的凋亡的敏感性[29]，因此GSDMA的抑癌作用是否与细胞焦亡相关尚不明确。

有研究表明[30]，GSDMD在大多数胃癌组织中表达降低，在胃癌细胞系（MKN-28、MKN-45、SGC7901、BGC823和AGS）中，GSDMD的表达较正常人胃上皮细胞系低，且在进一步体内和体外实验中证实GSDMD的低表达能明显促进肿瘤的增殖，下调的GSDMD可能通过激活细胞外信号调节激酶、信号转导和转录激活因子3和 PI3K/AKT信号通路，调节细胞周期相关蛋白，促进胃癌细胞S/G2转变。GSDMD水平低的裸鼠肿瘤体积更大。上述数据表明GSDMD在胃癌中具有抑癌作用。

炎症小体也可能是胃癌的抑制因子。NLRC4炎症小体在胃癌中的表达高于正常胃上皮细胞[31]，有研究表明，NLRP6的表达降低与胃癌患者的不良预后相关，上调NLRP6可能抑制胃癌的进展[32]。

3 细胞焦亡在胃癌治疗中的临床应用潜力

化学疗法药物通常通过凋亡途径抑制肿瘤细胞的生长。然而，肿瘤细胞通过逃避凋亡而变得对化学疗法药物具有抗性。因此有必要寻找新的方法诱导其他类型的细胞死亡从而抑制肿瘤生长，而细胞焦亡则在癌症治疗中显示出较好的前景和潜力。

3.1 药物诱导细胞焦亡可抑制胃癌生长

许多临床治疗胃癌的药物可以诱导细胞焦亡，抑制肿瘤生长。这些药物包括DNA结合/修饰化合物阿霉素、顺铂和放线菌素-D以及拓扑异构酶抑制剂拓扑替康、CPT-11、依托泊苷、米托蒽醌、曲美替尼、厄洛替尼、克利替尼和洛铂等[33]。其他在临床或实验研究中对胃癌显示出一定疗效的药物或化合物也会引起肿瘤细胞的细胞焦亡。这些药物包括伊维菌素、omega-3二十二碳六烯酸（omega-3 docosahexaenoic acid，DHA）、小檗碱，花青素，二甲双胍，以及Polo样激酶1（Polo-like kinase 1，PLK1）抑制剂BI2536[33]。Caspase-1依赖的细胞焦亡途径伴随着炎性细胞因子IL-1和IL-18的释放，IL-1R拮抗剂如阿那白滞素Anakinra可阻断IL-1R信号通路的激活，从而抑制IL-1通路，抑制肿瘤生长[34]。黄独素B （Diosbulbin B，DB）可通过激活肿瘤固有的PD-L1/NLRP3信号通路介导的细胞焦亡，从而增加顺铂对胃癌的敏感性[35]。但并非所有证据都表明药物可通过促进焦亡达到抑癌作用，多项研究表明双硫仑可抑制胃癌细胞增殖具有抗肿瘤作用，但它也可通过阻断Gasdermin D介导的质膜孔的形成来抑制细胞焦亡[36]。

3.2 作为生物标记物诊断和评估胃癌预后

细胞焦亡各组分关键蛋白在胃癌中呈现差异表达，有作为诊断胃癌生物学标志物的潜力。如GSDMB在大多数正常胃组织中不表达，大多数癌前病变组织中GSDMB呈中度表达，而大多数癌组织中GSDMB表达水平较高[18]，GSDMA在上消化道中表达，但在胃癌细胞中沉默[17]，GSDMD水平低的裸鼠肿瘤体积更大[30]，炎症小体接头蛋白ASC在3/4的肠型胃癌中过度表达，但在胃炎中未发现过度表达[20]，NLRP6的表达降低与胃癌患者的不良预后相关，上调NLRP6抑制胃癌的进展[32]。提示上述相关因子或可作为诊断胃癌或评估预后的生物标记物。

4 结语与展望

胃癌是全球第五大最常见的癌症和第三大最常见的癌症死亡原因。其主要原因是胃癌未得到有效防治。胃癌是一种在分子和表型上高度异质的疾病。早期胃癌的主要治疗方法是内窥镜切除术。不可早期手术的胃癌通过选用手术辅助化疗方式治疗，晚期胃癌采用连续化疗方案治疗，但中位生存期不到1年。化疗药物通常通过凋亡途径抑制肿瘤细胞的生长，然而，肿瘤细胞会通过逃避凋亡而变得对化疗药物具有抗性。因此有必要寻找新的方法诱导其他类型的细胞死亡从而抑制肿瘤生长。细胞焦亡是新近发现的一种炎性细胞死亡。越来越多的临床疾病，如动脉粥样硬化和癌症，被发现与细胞焦亡密切相关。然而，目前细胞焦亡的研究尚处于初级阶段，特别是肿瘤细胞中的细胞焦亡，因其是一种炎性细胞死亡，伴随着IL-1和IL-18等炎性细胞因子的释放，如果这些炎性细胞因子没有得到很好的控制，它们通常会增加血管生成和侵袭，并抑制免疫系统对癌细胞的破坏。因此细胞焦亡在促癌变和抗癌之间哪一方面占据主导，其关键影响因素如何值得进一步研究。同时细胞焦亡的关键蛋白Gasdermin家族分别有抑癌和促癌两种效应表现，其存在怎样的平衡，寻找某种途径调控这种平衡是治疗胃癌的可行方向之一。综上所述，目前对胃癌与焦亡的关系仍缺乏深入研究，该生物学过程的研究能够为胃癌的诊断提供新的思路及线索，为胃癌的治疗寻找新的靶点和优化方案。