现代生物学基础之细胞焦亡

20世纪末，人们一直将细胞凋亡等同于细胞程序性死亡。随着研究的不断深入，逐渐发现细胞程序性死亡包括凋亡、胀亡、自噬以及焦亡。细胞焦亡的诱导、发展和调控与人类健康及疾病发生存在密切关系，已经成为近年来的研究热点之一，可能是多种疾病及病理变化的潜在分子机制。细胞焦亡为近年来研究发现的一种新型细胞程序死亡方式，其发生伴随着炎症反应的发生。NNLRP3是目前研究最为深入的一种炎性小体，它通过识别PAMPs和DAMPs，与ASC相结合，并招募pro-Caspase-1，形成NLRP3炎性小体，进而使Caspase-1活化。NLRP3炎性小体是具有最广泛激活剂的炎性小体。AIM2是第一个被鉴定的非NLR家族蛋白，但它是形成炎性小体的重要成员。AIM2由配体经多个结合位点聚集而形成，具有两个特征性结构域：一个N端PYD结构域和一个C端HIN200结构域。AIM2炎性小体由AIM2、ASC和Caspase-1组成，AIM2通过PYD-PYD相互作用而与ASC结合，然后募集pro-Caspase-1，促进Caspase-1的激活以及IL-1β和IL-18的成熟。另外，GSMDM在2015年被发现，是炎性Caspase的一个底物。GSDMD属于一个功能未知的Gasdermin蛋白家族，Gasdermin蛋白家族的N端大都可以引发细胞焦亡，并最终通过启动细胞焦亡而激活天然免疫反应。通过CRISPR/Cas9基因组编辑技术，在小鼠巨噬细胞中针对Caspase-1和Caspase-11介导的细胞焦亡通路，分别进行了全基因组范围的遗传筛选，发现所有炎性Caspase的一个共同底物蛋白是GSDMD，该蛋白质的切割对于炎性Caspase激活引发细胞焦亡具有重要作用；这一研究证明了Gasdermin蛋白家族具有诱导细胞焦亡的功能，并且是细胞焦亡的直接和最终执行者。有实验以细胞焦亡为切入点，对化瘀祛痰方防治心脑血管疾病的分子机制进行研究。结果显示，AS家兔心肌发生了缺血的变化，在此过程中有细胞焦亡参与，模型家兔心肌组织及血清IL-18和IL-1β较正常组均升高，经化瘀祛痰方干预后下降；并且模型家兔细胞焦亡相关蛋白AIM2、CASP1、GSDMD及NALP3表达较正常组上升，提示细胞焦亡可以分别通过炎性小体AIM2及NALP3分别介导CASP1蛋白的激活，并且激活GSDMD蛋白诱导细胞焦亡。经过化瘀祛痰方干预后发现CASP1、GSDMD及NALP3蛋白表达均下降，提示化瘀祛痰方能有效抑制细胞焦亡水平。结论：化瘀祛痰方可以通过影响细胞焦亡改善AS家兔心肌的变化。

研究发现，GSDMD蛋白是细胞焦亡中形成细胞孔道的特征性效应分子，其N末端片段的孔隙形成是发生细胞焦亡的驱动因素。Shi等发现，GSDMD－/－鼠细胞焦亡的数量明显减少，可见GSDMD蛋白在细胞焦亡中的重要作用。炎症小体调控细胞焦亡的发生，活化的NLRP3炎症小体是一种基于NLRP3受体寡聚而形成的大分子复合物。NLRP3蛋白通过NACHT结构域发生自我寡聚，借助PYD结构域与接头蛋白ASC发生相互作用，进而通过CARD结构域招募胞内Caspase-1前体，并使之发生自我剪切，释放出具有水解酶活性的成熟Caspase-1。活化的Caspase-1将剪切底物IL-1β及IL-18前体转变成具有促炎功能的成熟IL-1β及IL-18，并释放至胞外。研究发现ox-LDL促进巨噬细胞Caspase-1活化，并且NLRP3/Caspase-1通路参与ox-LDL诱导的人巨噬细胞裂解、DNA断裂以IL-1β和IL-18的产生，缺乏IL-1β可降低ApoE－/－小鼠AS的严重程度。于宁等观察人参皂苷Rb1对高脂血症大鼠肝脏细胞焦亡的影响时发现，模型组大鼠肝脏的GSDMD蛋白及其mRNA显著升高；经过人参皂苷Rb1治疗后，大鼠肝脏的GSDMD蛋白及其mRNA表达显著降低，说明人参皂苷Rb1具有抑制高脂血症大鼠肝脏细胞焦亡的作用。模型组大鼠肝脏NLRP3、Caspase-1、IL-1β和IL-18蛋白及mRNA表达显著升高，提示细胞焦亡参与了高脂血症大鼠肝细胞的损伤过程，而肝细胞焦亡相关因子NLRP3、Caspase-1、IL-1β和IL-18可能是引起炎症反应的重要因素。经过人参皂苷Rb1治疗后，大鼠肝脏的NLRP3、Caspase-1、IL-1β和IL-18蛋白及mRNA表达显著降低，说明人参皂苷Rb1具有一定程度的抑制高脂血症大鼠肝脏细胞焦亡的作用。结论：人参皂苷Rb1通过降低肝细胞焦亡相关因子的表达实现对高脂血症大鼠肝脏的保护作用。