焦孔素家族在皮肤病中的研究进展

周立雪,付丽新,陈 涛,△,李 倩

(1.遵义医科大学,贵州 遵义 563000;2.成都市第二人民医院,四川 成都 610017)

焦孔素是近年来新发现的一个执行细胞死亡的家族,因其具有强大的细胞焦亡作用,常作用于炎症与变态反应性皮肤病、自身免疫性皮肤病、肿瘤性皮肤病等领域,但目前尚未发现关于焦孔素在皮肤病中的研究现状的报道。该文就焦孔素在皮肤病中的研究进展展开综述。

1 焦孔素家族

焦孔素的结构是由一个细胞毒性的N端结构域和一个C端的阻遏结构域,两个结构域之间又通过一个柔性链接域构成[1]。炎性半胱氨酶是目前切割焦孔素最强的酶,它通过裂解焦孔素内部的链接域来促进焦孔素活化,将切割后N端结构域插入细胞膜后会寡聚形成一个具有27倍对称性的寡聚膜孔,从而引起焦孔素构象改变从而诱导细胞焦亡[2]。焦孔素家族在人类中有6种分型:焦孔素A(GSDMA)、焦孔素B(GSDMB)、焦孔素C (GSDMC)、焦孔素D (GSDMD)、焦孔素E (GSDME)和PEJVAKIN(PJVK)[3];在小鼠中有10种分型:焦孔素A1-3、焦孔素C1-4、焦孔素D、焦孔素E 和PJVK),与人类中最大区别是小鼠中是没有焦孔素B。

焦孔素A首先是从小鼠皮肤克隆的,在人类的食管、膀胱、皮肤的上皮细胞中表达[2],诱导细胞凋亡。据以往报道,Gsdma3有9种突变导致小鼠炎症和脱发,与毛囊发育有关,携带Gsdma3的小鼠已被广泛用于研究瘢痕性脱发中毛囊破坏的机制。

焦孔素B,小鼠当中没有此类型,在人类的气道上皮、食管、胃、肝、结肠等位置表达[4]。它很多癌症相关,比如胃癌、肝癌、乳腺癌等,但是Gsdmb是如何促进癌症细胞存活目前还不清楚。此外,GSDMB SNPs具有诱导气道上皮细胞焦亡的作用,目前发现与哮喘、溃疡性结肠炎等有关[5]。

焦孔素C在大脑皮层、内分泌组织、皮肤、气管、食道、胃肠、阴道和膀胱等表达[6],是首先在小鼠转移性黑色素瘤细胞中发现表达上调的基因,在黑素色瘤中强表达[7],它还可以降低结直肠癌细胞的增殖,在食管鳞状细胞癌的中也有表达。

焦孔素D在食道、胃和皮肤中表达[2],已被证明会导致细胞炎症坏死。是细胞焦亡唯一的执行者。研究表明GSDMD在caspase-4/5/11和caspase-1介导的多种炎性体下游被切割而发生的细胞焦亡[8,9]。焦孔素D被caspase-1和caspase-4/5/11切割后将其N末端效应结构域从 C末端抑制结构域中释放出来,N-末端结构域在细胞膜中寡聚化并形成一个直径为10～16 nm 的孔,通过该孔分泌较小直径的底物,如IL-1β和IL-18等细胞因子[10],扰乱离子稳态和水的调节,最终导致强烈的炎症和细胞死亡。虽然其他焦孔素家族成员没有被炎性半胱天冬酶切割,但共享自抑制作用。

焦孔素E在大脑、子宫内膜、胎盘、肠道中表达[2],最初被克隆为常染色体显性非综合征听力损失的候选基因。有研究表明斑马鱼焦孔素Eb的缺失导致了耳半圆形管的畸形[11],也有研究表明焦孔素E在肿瘤疾病当中也有表达,且是一个肿瘤抑制因子。

PJVK和焦孔素E一样,是焦孔素最古老的成员,最初是从睾丸中克隆出来的,但它也在其他组织中广泛表达,包括内耳的毛细胞和听觉系统的其他细胞[12],所以也与耳聋或者听力障碍有关。

据研究表明,焦孔素自20世纪首次报道后,因其强大的细胞焦亡作用,在一些皮肤性病中,如炎症与变态反应性皮肤病、自身免疫性皮肤病、肿瘤性皮肤病等都发现了它的存在。

2 焦孔素与皮肤病

2.1 炎症与变态反应性皮肤病

2.1.1银屑病(psoriasis) 是一种由免疫因素介导的慢性炎症性皮肤病,IL-17/IL-23 轴在发病中起重要作用[13]。国内有研究者证明[14,15]寻常型银屑病患者血清IL-1β、IL-18水平升高,并且GSDMD和GSDMD-N在寻常型银屑病患者皮损的表皮和真皮中表达均增高,但以表皮增高为主,这表明细胞焦亡相关细胞因子在银屑病发病机制中可能发挥一定的作用。Deng等[16]在银屑病患者使用环黄芪素(CDA)治疗中,发现银屑病的皮损处被大量巨噬细胞浸润,这些巨噬细胞在银屑病进展过程中会分泌许多促炎因子,包括 IL-1β、TNF-α 和 IL-6等。CAG明显降低了巨噬细胞中咪喹莫特(IMQ) 触发的 NLRP3 炎性体激活和 焦孔素D介导的细胞焦亡,通过抑制NLRP3炎症小体介导的细胞焦亡来选择性调节巨噬细胞功能,从而改善 IMQ诱导的银屑病样皮肤炎症。这提示我们GSDMD也许可以成为银屑病治疗的新靶点。

2.1.2特应性皮炎(atopic dermatitis,AD) 是一种慢性复发性炎症性皮肤病,伴有瘙痒,有明显的遗传倾向。炎症介质的释放、免疫的异常在AD中可能发挥了重要作用[17]。AD的先前表达是过敏性鼻炎(AR)和哮喘发展以及特异性致敏的先决条件,突出了表皮屏障在这些疾病发病机制中的重要性[18],AD、AR和哮喘是三种相互关联的伴随过敏性疾病,通常会从一种转变为另一种。GSDMB 基因编码来自焦孔素结构域家族的焦孔素B,这些蛋白质涉及与肿瘤发展和进展相关的各种细胞过程,例如分化、细胞周期控制和细胞凋亡[19]。Karunas 等[20]对GSDMB基因(RS7216389、RS2290400、RS2305480)的三个单核多态性(SNP)进行了荟萃分析,该研究涉及661名患有各种过敏性疾病(哮喘、AR和AD)的个体。结果显示GSDMB基因SNP(rs7216389、rs2290400 和 rs2305480)与一般过敏性疾病发展的显着关联,其中RS7216389和RS2290400与哮喘的发展有关,rs2305480与过敏病理的组合形式——哮喘合并AR,哮喘合AR和AD有关,但是RS7216389和RS2290400多态性与无哮喘症状患者组AR和AD发展的关联尚未被揭示,由于目前国内外关于GSDMB在AD中的研究还尚少,只能表明GSDMB与AD之间可能有着关联,GSDMB在AD中具体发挥的生物作用还需继续深入研究。

2.2 自身免疫性皮肤病

2.2.1脱发 毛发的生长周期可以分为生长期、退行期和休止期。在毛囊干细胞(HFSCS)的支持下,毛囊在整个出生后的整个生命中都经历了反复的生长,消退和静止期,所以毛囊干细胞的生态成分对维持毛囊的生物作用非常重要。Gsdma3基因的突变与瘢痕性脱发、角化过度、皮脂腺萎缩和角膜混浊有关[21],然而,皮肤炎症的起源和原因是什么以及脱发是否由Gsdma3 突变小鼠的炎症攻击介导尚不完全清楚[22,23]。脱发中有11个表型(AE、BSK、DFL、FGN、M1BTLR、M2BTLR、MHDACLP1、RCO2、RE-DEN、RIM3和 RIKEN00745/+3)在GSDMA3突变小鼠系中可以观察到[24]。Li等[25]使用组合的CRE/LOXP和RTTA/TRE系统来研究Gsdma3过表达对不同头发周期阶段的时空影响,发现Gsdma3介导的细胞死亡会影响头发生长期启动、进展和退行期-休止期转变;诱导的Gsdma3表达会导致隆起内层塌陷和毛囊干细胞早熟激活,导致随后毛囊退化,这可能是Gsdma3突变小鼠脱发的原因。并且表明失调的Gsdma3导致隆起内层坏死,以诱导毛发的脱落和立即进入生长期,而不经过休止期。Swirski等[24]通过使用基因测序和组织学方法来评估Gsdma3中的一种新的 C 末端突变( C+/H-)对小鼠皮脂腺和皮肤形态以及内眼睑和角膜组织的睑板腺的影响。发现C+/H-小鼠大约在1～2月时毛囊尚且存在,当到3～4月时,C+/H-小鼠皮肤上已经没有了毛囊和皮脂腺。这表明当Gsdma3中的 C 末端突变时,C+/H-小鼠会表现出进行性脱发和皮肤皮脂腺退化,但目前还没有在人的毛囊中有过研究,这或许会成为脱发治疗的新靶点。

2.2.2系统性硬化症(systemic sclerosis,SSC) 也称为硬皮病,是一种原因不明的以局限性或弥漫性皮肤增厚和纤维化为特征的自身免疫性疾病,会影响皮肤和其他许多器官[26]。病变特点为血管和免疫功能障碍,最终导致皮肤硬化、血管缺血。除皮肤受累外,还可累及肺、心脏、肾脏、食管等多个器官[27]。Terao等[28]通过对日本和欧洲人群中的全基因组关联研究(GWAS)进行META分析,包含4436例病例和14751例对照。评估了重要的单核多态性 (SNP) 与相邻基因之间的关联,对H3K4ME3(活性启动子的代表性组蛋白标记)进行了富集分析,并扩展了SSC易感基因列表。结果发现了GSDMA和PRDM1,它们都与免疫功能相关并且与其他自身免疫性疾病相关,并且发现GSDMA中的RS3894194与系统硬化症有着重大的关联。Moreno等[29]对57名SSC患者和15名对照的单核细胞衍生巨噬细胞(MDM)进行了RNA测序和全基因组基因分型,结果表明RS3894194风险变异对SSC易感性可以通过巨噬细胞中的GSDMA表达介导,GSDMA在SSC MDMS中上调(P=8.4×10-4)但在皮肤中不上调。所以我们可以推测GSDMA的过表达可能会导致SSC细胞焦亡过程的失调。

2.3 肿瘤性皮肤病黑色素瘤是来源于黑色素细胞的一种高度恶性的肿瘤,多发生于皮肤,也可见于黏膜和内脏,约占全部肿瘤的3%。GSDMC,最初是从小鼠黑色素瘤细胞中分离出来的,并从小鼠黑色素瘤细胞B16-BL6 cDNA文库中获得,也称为黑色素瘤来源的含有亮氨酸拉链的核外因子,并且小鼠GSDMC的表达水平与B16黑色素瘤细胞系的转移能力增加而增加[8]。GSDME,被认为是一种肿瘤抑制因子[30],但它如何防止肿瘤发生以及为什么它在许多不同的癌症类型中仍然是一个谜。近年来在对晚期黑色素瘤的患者的长期治疗中取得了重大进展,如BRAF-MEK抑制剂组合与约33%的5年总生存率相关[31,32]。Smalley等[33]表明 BRAF-MEK抑制是通过焦孔素E裂解激活黑色素瘤细胞的焦亡,导致T细胞浸润并改善体内治疗反应。并且在作者的研究中证明了caspase-3介导的焦孔素E裂解在细胞焦亡中的作用,提供了BRAF抑制剂诱导的细胞凋亡和细胞焦亡相关的免疫刺激之间的潜在联系。为了测试GSDME是否具有肿瘤抑制活性,Rogers等[34]使用了黑色素瘤小鼠模型,其中向WT C57BL/6J小鼠皮下注射WT或GSDME-KO(敲除GSDME)B16-OVA黑色素瘤细胞,并随着时间的推移监测肿瘤生长。结果显示GSDME-KO肿瘤的形成和生长速度明显快于表达GSDME的肿瘤,证明GSDME是一种重要的新型线粒体成孔蛋白,它是通过从线粒体中释放细胞色素C并激活内在的凋亡途径来增强凋亡途径的激活,表明GSDME可能会抑制肿瘤的活性。GSDME还可以通过上调介导细胞焦亡的caspase-3增加了对化疗耐药的黑色素瘤细胞的药物敏感性[35],这表明在未来的研究中,我们或许可以关注如何利用GSDME来预测对癌症对不同疗法的反应,并且针对一些特异性的途径研发新药。

3 焦孔素家族的未来研究展望

自从将焦孔素家族鉴定为细胞焦亡的效应物以来,我们对这个新兴的细胞死亡效应物家族有了新的理解,细胞焦亡作为程序性细胞死亡的一种形式,对许多疾病都有影响。目前焦孔素家族在皮肤病中的研究还比较表浅,但由于皮肤病中的诸多病种又与其他内外科疾病的病因及发病机制是有着交叉相关之处的,在许多疾病的研究中都已经描述了焦孔素家族在调节各种生理病理中的作用,比如急性胰腺炎、结肠炎、过敏性鼻炎、脓毒血症、肝癌、乳腺癌、心血管疾病等都有对焦孔素家族有着相关的报道。且目前已经针对焦孔素家族的活动和功能提供了一些疾病治疗的潜在策略,尤其是在感染、炎症和肿瘤方面[36]。在未来的研究中,我们可以通过各种方法去结合焦孔素家族的功能来分析疾病,有助于我们识别特定的皮肤性病的临床特征以及确定焦孔素家族在一些皮肤性病可能存在的治疗靶点,进一步去深入了解炎症性皮肤病、自身免疫性皮肤病肿瘤性皮肤病的机制和治疗。