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在生物个体的生长和发育期间，细胞死亡随时都会发生，这是生物界普遍存在的生命现象，在多细胞生物的生长、发育和体内平衡中起着重要作用。细胞死亡的方式主要分为两类，非程序性死亡和程序性死亡（programmed cell death，PCD）[1]，PCD 又可分为非炎症反应介导的自噬（autophagy）和凋亡（apoptosis）及炎症反应介导的细胞焦亡[2]。近年来，细胞焦亡成为PCD领域的研究热点，随着调控焦亡的信号通路逐渐阐明，研究人员也发现细胞焦亡在人类多种疾病中所产生的巨大影响。

1 细胞焦亡的研究历史

细胞焦亡伴随着炎症反应的细胞死亡方式早在20 世纪90年代就已被关注，1992年Zychlinsky 等[3]首次发现，用侵袭性志贺菌和鼠伤寒沙门菌感染巨噬细胞可诱导宿主细胞死亡，主要观察到宿主细胞DNA片段化和膜起泡，最初认为是凋亡所致，但由于Caspase-3 被裂解是晚期事件，并且死亡过程需要Caspase-1 的参与，从而引起广泛的关注，随后在1994～2000年，进一步的分析表明，巨噬细胞的死亡独特地依赖于Caspase-1 而不是凋亡相关Caspase，并且伴随着细胞膜的破坏和炎症细胞因子和其他小分子的释放[4-5]。2001年Cookson 及其同事将这种依赖于炎性体的细胞死亡称为“pyroptosis”，源于希腊语中与火或热有关的“pyro”[6]，至此细胞焦亡被明确定义。此后，虽然有大量关于焦亡的报道，但直到2015年Gasdermin D （GSDMD）被发现为Caspase-1 和Caspase-4、Caspase-5 和Caspase-11 的切割靶点时，细胞焦亡的关键因子才被发现，GSDMD 被称为焦亡的“刽子手”[7]。随着研究的深入，Gasdermin 超家族中其他蛋白，如Gasdermin E（GSDME），被Caspase-3 激活，也会诱发细胞焦亡[8]。在2018年，细胞死亡命名委员会（Nomenclature Committee on Cell Death，NCCD）定义细胞焦亡是由Gasdermin 蛋白家族成员形成质膜穿孔的炎症细胞PCD[9]。如今细胞焦亡这种程序性细胞死亡方式已经逐渐被人们所了解，越来越多的研究发现细胞焦亡在人类癌症、自身免疫性疾病、神经系统相关疾病中均发挥着重要的作用。

2 细胞焦亡分子机制

2.1 模式识别受体与炎症小体

免疫系统以天然免疫和适应性免疫两种免疫方式保护着人体，二者均依赖特异性受体对“非我”分子模式进行识别，随后利用不同的机制消除携带模式分子的病原体[10]。其中作为宿主防御的第一道防线的天然免疫通过模式识别受体（pattern recognition receptors，PRRs）识别病原体特有保守的关键模式分子，病原体相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）以及内源性危险信号分子模式（danger-asso ciated molecular patterns，DAMPs），立即引发机体反应，以遏制入侵的微生物，为激活随后的适应性免疫反应奠定基础[11]。胞浆中的PRRs 包括Toll 样受体（TLRs）、细胞内核苷酸结合寡聚结构域（NOD）样受体（NLRs）和AIM2 样受体（ALRs）[12]。

炎症小体在细胞质中以多蛋白复合物状态存在，由信号特异性传感器蛋白，衔接子蛋白，以及效应蛋白构成[13]。信号特异性传感器蛋白主要是富含中央核苷酸结合域（nucleotide binding domain，NBD）和亮氨酸重复序列（leucine-rich repeat，LRR）的NOD-like receptor，NLR 蛋白家族（NLRP1、NLRC4、NLRP3、NAIP2/5）和HIN-200 蛋白家族（hematopoietic IFN-inducible nuclear antigen with 200 amino acid repeats），如（AIM2），衔接子蛋白则是含有Caspase 激活募集域（Caspase activation and recruitment domain，CARD）的凋亡相关微粒蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing CARD，ASC），Caspase 为效应蛋白[14]。

2.2 Caspase-1 介导的经典途径细胞焦亡

Caspase（cysteinyl aspartate specific proteinase）是一种含有半胱氨酸的内源性天冬氨酸蛋白水解酶，是生物体通过调节细胞死亡和炎症来维持稳态的重要基因家族[15]。Caspase 已被广泛分类为凋亡性（哺乳动物中Caspase-3、Caspase-6、Caspase-7、Caspase-8 和Caspase-9）和炎症性（人类Caspase-1、Caspase-4、Caspase-5、Caspase-12 和小鼠Caspase-1、Caspase-11和Caspase-129）[16]。细胞焦亡则是由Caspase 所介导发生的，其中经典途径的细胞焦亡由Caspase-1 介导，非经典细胞焦亡途径由Caspase-4、Caspase-5 和Caspase-11 介导。

Caspase-1 在通常状态下作为一种惰性酶原存在，是炎症小体的重要组成部分。当胞浆PRRs 受到特定PAMPs 和DAMPs 的刺激下，PRR 通过（或不通过）ASC 和Pro-Caspase-1 形成组装成为炎症小体，炎症小体通过反平行二聚作用形成Caspase-1 酶原激活平台，该反向平行二聚作用使一个Caspase-1 分子的催化结构域与需要切割以激活该酶的两个位点之一接近，随后Caspase-1 会自剪切激活，从酶原变为具有活性的蛋白水解酶，这是细胞焦亡发生重要的一环[17]。激活后的Caspase-1 不仅可以介导促炎症细胞因子[白细胞介素-1β（IL-1β）和白细胞介素-18（IL-18）]的成熟和分泌，还可以直接作用于GSDMD[18]。Caspase-1 在其中央连接区将自抑制状态下的GSDMD 切割为具有穿孔活性的31KDa 氨基末端（NT）和22KDa 的羧基末端（CT），随后，GSDMD-N 通过膜脂相互作用方式，与细胞膜内表面的磷脂酰肌醇、磷脂酸和磷脂酰丝氨酸结合，并在脂质双层中形成内径10～20 nm 寡聚孔，细胞膜上的穿孔可直接释放被Caspase-1 激活的分子直径约为5 nm 的IL-1β 和IL-18 以及其他小的胞浆蛋白，如小GTP 酶、半乳糖凝集素或半胱氨酸型内肽酶抑制剂胱抑素等。除此之外，质膜上大量的孔洞在膜的内侧和外侧之间引起连通，形成了非选择性的膜通道，使质膜两侧离子浓度失衡，大量的水进入细胞，细胞肿胀，内容物逸出，细胞最终死亡[7，19-20]。不仅如此，焦亡细胞所释放的IL-1β、IL-18 是内源性免疫因子，引起发热和刺激免疫细胞活化，促进淋巴细胞增殖和分泌抗体。IL-1β 和IL-18的失控释放会导致广泛的炎症反应和免疫性疾病[21]。

2.3 非经典途径的细胞焦亡

非经典的焦亡途径，通常是细胞质脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）直接激活Caspase-4、Caspase-5 和Caspase-11 介导焦亡，Caspase-4、Caspase-5 和Caspase-11 可以直接被细胞内革兰阴性细菌LPS 刺激，以激活和水解自身的蛋白酶活性[22]。活化的Caspase-4、Caspase-5 和Caspase-11 也可以作用于GSDMD 并产生与Caspase-1 相同的裂解作用，从而导致细胞膜穿孔。激活的Caspase-4、Caspase-5 和Caspase-11 在NLRP3 和ASC 存在下可以与Caspase-1 相互作用，从而促进其激活[23-24]。同样的，Caspase-1 裂解IL-1β和IL-18 的前体以形成活性IL-1β 和IL-18，通过GSDMD-NT 形成的膜通道释放并引起焦亡。与经典途径不同的是，在非经典的细胞焦亡中，仅IL-1β 和IL-18 前体的裂解取决于Caspase-1，GSDMD 的切割则是由其他已激活的炎症性Caspases 完成的[25]。

3 细胞焦亡与癌症的发生

近年研究显示，多种癌症的发生及治疗与细胞焦亡密切相关。Wang 等[26]研究表明，细胞焦亡关键蛋白GSDMD 可能通过抑制ERK、STAT3 和PI3K 通路，进而抑制CyclinA2/CDK2 复合物，导致细胞周期S/G2 期阻滞，抑制胃癌增殖。Gao 等[27]研究表明，与癌旁组织相比，非小细胞肺癌中的GSDMD 蛋白表达水平显著上调，经临床数据分析，较高水平的GSDMD 表达与患者肿瘤体积成正相关，并且影响着患者晚期的肿瘤淋巴结转移。敲低GSDMD 表达后抑制了小鼠肿瘤的生长。

GSDMD/GSDME 是细胞焦亡发生的关键蛋白，因此大量研究靶点在于小分子或药物触发GSDMD 介导的焦亡作用而抑制肿瘤细胞的增殖、迁移和侵袭能力等。Wang 等[28]发现二甲双胍（Metformin）可诱发GSDMD 介导的焦亡。Pizato 等[29]发现Omega-3 二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）可以在MDAMB-231 三阴性乳腺癌细胞中引发焦亡，与未经处理的细胞相比，经DHA 处理的乳腺癌细胞发生了细胞焦亡，Caspase-1、GSDMD 被激活，IL-1β 分泌增加。Deng 等[30]最近的一项研究发现，BIX-01294，一种二氮杂-喹唑啉-胺衍生物可诱导自噬通量，并且当BIX联合顺铂（Cis-platinum，Cis）处理胃癌细胞，可以诱导GSDME 介导的胃癌细胞发生焦亡。Chen 等[31]的一项研究发现，与结直肠癌一样，洛铂会通过Caspase-3/GSDME 信号传导途径在鼻咽癌细胞中诱导焦亡。海洋耐寒细菌假海变单胞菌TAC125 产生的4-羟基苯甲酸（4-hydroxybenzoic acid，4-HBA），可诱导A549肺上皮癌细胞焦亡。研究发现4-HBA 处理A549 细胞后，可以激活Caspase-1，促使IL-18 和IL-1 表达增加，诱导肺腺癌细胞焦亡，进而促进细胞死亡[32]。花青素是属于类黄酮家族的天然着色剂，其抗癌特性引起了科学界的广泛关注[33]。Yue 等[34]注意到花青素降低了口腔鳞状细胞癌（oral squamous cell carcinoma，OSCC）细胞的活性，抑制了细胞的迁移和侵袭能力。花青素处理OSCC 时，NLRP3、Caspase-1 和IL-1 的表达增强，激活细胞焦亡，同时，在Caspase-1 抑制剂的作用下，花青素激活的细胞焦亡被抑制，而细胞活力、迁移和侵袭率随之提高。化疗耐药是卵巢癌患者最常见的死亡原因之一，确定新型抗肿瘤药物是当务之急。Qiao 等[35]研究发现新型分子α-NETA[2-（anaphthoyl）ethyltrimethylammonium iodide]通过GSDMD/Caspase-4 途径诱导上皮性卵巢癌（EOC）细胞焦亡。此外，Caspase-4 或GSDMD 的敲低都会影响细胞α-NETA 细胞的抑制活性，表明α-NETA 通过焦亡途径发挥作用。最近的另一研究发现[36]，大气压冷等离子体（cold atmospheric plasma，CAP）已被提出作为一种新的有前途的抗癌治疗方法。在CAP 诱导的细胞死亡中已经揭示了细胞凋亡和坏死，但是CAP是否诱导细胞焦亡仍然未知。Yang 等[36]研究发现CAP通过线粒体途径的激活（JNK/细胞色素C/Caspase-9/Caspase-3）和GSDME 的裂解，在高表达GSDME 的肿瘤细胞系中以剂量依赖性方式有效诱导了细胞焦亡，揭示了GSDME 可能是未来癌症CAP 治疗中预后的潜在生物标志物。在结直肠癌中，Yu 等[37]发现，洛铂呈剂量依赖性降低了HT-29 和HCT116 细胞的活力，从形态学上看，洛铂处理的HT-29 和HCT116 细胞在显微镜下表现为细胞肿胀，细胞膜上出现大气泡，透射电镜显示细胞膜上有多个孔。机制上，洛铂诱导活性氧（reactive oxygen species，ROS）升高和JNK磷酸化。活化的JNK 将Bax 引入线粒体，刺激细胞色素c 向细胞质释放，进而诱导Caspase-3 和Caspase-9裂解，从而发生细胞焦亡。Wang 等[38]研究发现在胃癌细胞株SGC-7901 和MKN-45 中使用5-氟尿嘧啶（5-Fluorouracil，5-FU）可以诱导Caspase-3 的裂解，从而使GSDME 的N 末端片段积累，导致胃癌细胞焦亡。此外，CRISPR-Cas9 敲除GSDME 可将5-FU 诱导的Caspase-3 依赖性焦亡转变为凋亡。真核延伸因子-2激酶（eukaryotic elongation factor-2 kinase，eEF-2K）是一种蛋白合成的负调控因子，已被证明在各种应激下肿瘤细胞自噬和凋亡中发挥重要作用[39]。在最近的一项研究中，eEF-2K 在阿霉素诱导的人类黑色素瘤细胞焦亡中发挥重要作用，eEF-2K 沉默导致焦亡作用增强，从而使黑色素瘤细胞对阿霉素敏感，表明靶向eEF-2K 可能增强阿霉素的抗肿瘤作用，为肿瘤化疗提供了新的方向[40]。

4 小结

细胞焦亡是新近发现的一种促炎性、程序性细胞死亡方式。经典细胞焦亡途径依赖于Caspase-1 的介导，非经典细胞焦亡途径依赖于Caspase-4、Caspase-5 和Caspase-11 的介导。经过近年的研究，焦亡的特征已有较一致的认识，机制研究也取得的重大突破，多项研究也表明了细胞焦亡参与了各种疾病的发展。目前对于不同疾病中细胞焦亡发生的机制尚未完全明确，进一步探究细胞焦亡在不同疾病，特别是肿瘤中的效应机制，以及相关上下游信号转导通路的蛋白，对于全面认识这一新型的细胞死亡方式，对于新型药物的开发，寻找疾病治疗的新靶点具有重要意义。

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