一,、細胞焦亡介紹
細胞焦亡（pyroptosis）是一種最近發(fā)現(xiàn)的細胞程序性死亡方式，表現(xiàn)為細胞不斷脹大直至細胞膜破裂,，導(dǎo)致細胞內(nèi)容物的釋放進而激活強烈的炎癥反應(yīng),。自2015年以來，邵峰院士等人發(fā)現(xiàn),，caspase-1和caspase-11/4/5是通過切割一個叫做Gasdermin-D（GSDMD）的蛋白而誘發(fā)細胞焦亡的,，GSDMD在被caspase-1或caspase-11/4/5切割后，釋放出其N端結(jié)構(gòu)域,，該結(jié)構(gòu)域具有結(jié)合膜脂并在細胞膜上打孔的活性,，這樣就導(dǎo)致細胞滲透壓的變化而發(fā)生脹大直至最終細胞膜的破裂（Shi et al., Nature 2015；Ding et al., Nature 2016）,。細胞焦亡是機體重要天然免疫反應(yīng),，在拮抗感染和內(nèi)源危險信號中發(fā)揮重要作用。細胞焦亡廣泛參與感染性疾病,、神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病和動脈粥樣硬化性疾病等的發(fā)生發(fā)展,，對細胞焦亡的深入研究有助于認識其在相關(guān)疾病發(fā)生發(fā)展和轉(zhuǎn)歸中的作用，為臨床防治提供新思路。近幾年,，細胞焦亡的研究熱度迅猛上升,，已成功吸引科學(xué)家們的眼球，一躍成為熱門研究領(lǐng)域,。

細胞焦亡（pyroptosis）,、細胞凋亡（apoptosis）、細胞自噬（autophagy）,、細胞壞死性凋亡(necroptosis)都是程序性死亡（Programmed Cell Death, PCD）的表現(xiàn)形式,，程序性細胞死亡是指細胞接受某種信號或受到某些因素刺激后，為了維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定而發(fā)生的一種主動性消亡過程,。細胞凋亡由凋亡性caspase（Caspase-2, 3, 6, 7, 8, 9或人類caspase-10）介導(dǎo),。與細胞凋亡相比，細胞焦亡是由炎癥性caspase（Caspase-1, 4, 5, 11）誘導(dǎo)的一類壞死性和炎癥性的細胞程序性死亡,。相比于細胞凋亡,，細胞焦亡發(fā)生的更快，并會伴隨著大量促炎癥因子的釋放,。由于細胞焦亡需要炎癥性caspase的參與,，其與另一種壞死性和炎癥性的細胞程序性死亡方式—壞死性凋亡不一樣，壞死性凋亡發(fā)生不需要caspase的參與,。

細胞焦亡與其它程序性死亡和非程序性死亡的差異

細胞焦亡（pyroptosis）

                       細胞凋亡（apoptosis）

圖1. Chen X , He W T , Hu L , et al. Pyroptosis is driven by non-selective gasdermin-D pore and its morphology is different from MLKL channel-mediated necroptosis[J]. Cell Research, 2016, 26(9):1007-1020.

二、細胞焦亡的特點
細胞焦亡發(fā)生時,，細胞會發(fā)生腫脹,，在細胞破裂之前，細胞上形成凸出物（圖1,，細胞焦亡Early），之后細胞膜上形成孔隙,，使細胞膜失去完整性,，釋放內(nèi)容物，引起炎癥反應(yīng),，此時,，細胞核位于細胞中央（圖1，細胞焦亡Late）,，隨著形態(tài)學(xué)的改變,，細胞核固縮，DNA斷裂。

細胞焦亡過程,，具有caspase-1依賴性,。在外界條件的刺激下，caspase-1前體可以與模式識別受體NLRP1,、NLRP3等通過接頭蛋白ASC變?yōu)橐粋€高分子復(fù)合物,，即炎癥小體，也稱依賴caspase-1的炎癥小體,。細胞在caspase-1激活同時會釋放出炎性因子白細胞介素-1β（interleukin-1β, IL-1β）和IL-18,，進而吸引更多的炎性細胞，加重炎癥反應(yīng),。

焦亡發(fā)生時形成孔隙,，它允許細胞質(zhì)的內(nèi)容物，如乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase, LDH）和炎性細胞因子釋放,，熒光標(biāo)記的膜聯(lián)蛋白V,、7-氨基放線菌D或碘化丙啶進入細胞。

三,、細胞焦亡的信號通路

細胞焦亡屬于炎癥性死亡途徑,，按激活機制，可分為Caspase-1依賴和不依賴兩種途徑,。兩種途徑都是通過切割GSDMD后形成N端游離的肽段,，這一肽段會誘導(dǎo)細胞形成孔道并導(dǎo)致細胞破裂，釋放胞質(zhì)成分,。兩種途徑都能同時誘導(dǎo)IL-1β和IL-18的前體進行切割,，形成成熟的IL-1β和IL-18。不同的只是是否直接激活Caspase-1,。

細胞焦亡的機制

Zhaolin, Z., et al., Role of pyroptosis in cardiovascular disease. Cell Prolif, 2019. 52(2): p. e12563.

炎性小體激活的分子機制與焦亡的誘導(dǎo)發(fā)生需要兩步機制：第一步是啟動步驟,，促炎因子如 proIL-1β、Nlrp3和caspase-11等的轉(zhuǎn)錄生成,。第二步是激活炎性復(fù)合物,，炎性復(fù)合物包括NLR（NOD-like receptors，胞漿內(nèi)感受器）蛋白家族成員,、銜接蛋白ASC/TMS1和Pro-Caspase-1,，其中NLR蛋白家族成員中NLRP3是細胞焦亡中的主要炎性復(fù)合物。

（1）細胞焦亡發(fā)生的經(jīng)典通路：在病原體,、細菌等信號的刺激下,，細胞內(nèi)的NLR識別這些信號，通過銜接蛋白ASC與Pro-Caspase-1結(jié)合,，激活Caspase-1,，活化的Caspase-1一方面切割GasderminD,，形成GasderminD氮端和碳端，GasderminD氮端就會和細胞膜上的磷脂蛋白結(jié)合,，形成孔洞,，釋放內(nèi)容物，誘導(dǎo)焦亡發(fā)生,；另一方面,，活化的Caspase-1對IL-1β和IL-18的前體進行切割，形成有活性的IL-1β和IL-18,，并釋放到胞外,，造成炎癥反應(yīng)；

（2）依賴Caspase-4,、5,、11的非經(jīng)典途徑：以炎性刺激因子LPS為例，沒有通過受體直接進入細胞質(zhì)內(nèi),，Caspase 其它家族成員如Caspase-4,、5、11被活化,，活化的Caspase-4,、5、11切割GasderminD,，誘導(dǎo)焦亡發(fā)生,；另一方面，誘導(dǎo)Caspase-1的活化,，對IL-1β和IL-18的前體進行切割,，造成炎癥反應(yīng)。
四,、細胞焦亡的研究方法
細胞焦亡的機制中GSDMD的切割,，IL-1β和IL-18前體的切割成熟和釋放是關(guān)鍵信號，因此證明所誘發(fā)的細胞死亡方式是否為細胞焦亡,，需要幾個關(guān)鍵的實驗證據(jù)：

（1） GSDMD的切割 （Western檢測）,；

（2） Caspase的激活，主要是Caspase-1,，Caspase-4,，Caspase-5，Caspase-11,。（Western檢測）；

（3） IL-1β和IL-18前體的切割成熟和釋放 （Western,，ELISA等）,；

（4）細胞形態(tài)學(xué)檢測（CCK-8等）；

（5）染色質(zhì)完整性檢測 （Tunel等）。

完整檢測方式如下：

1,、形態(tài)變化
（1）掃描電鏡觀察細胞形態(tài),；
（2）免疫熒光染色（GSDMD/GSDME）；

（3）Tunel檢測,。
2,、檢測焦亡相關(guān)基因及蛋白
（1）q-PCR/Western Blot方法檢測焦亡相關(guān)基因或蛋白的表達水平（例如，Caspase-1,、4,、5、11,；GSDMD,；Cleaved Caspase-3、IL-1β,、IL-18,、NLRP3、ASC等）,；

（2）ELISA試劑盒檢測炎癥因子的水平,；
（3）CCK8法測定細胞活力；

（4）免疫組化檢測組織蛋白的表達,。

五,、細胞焦亡相關(guān)的研究領(lǐng)域
細胞焦亡是機體重要的免疫反應(yīng)，在拮抗感染和內(nèi)源性危險信號中發(fā)揮重要作用,。廣泛參與腫瘤,、感染性疾病、代謝性疾病,、神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病和動脈粥樣硬化性疾病等的發(fā)生發(fā)展,。

1、細胞焦亡與感染性疾病

在病原體感染時,，適度的細胞焦亡可清除致病微生物,，而過度的細胞焦亡在導(dǎo)致細胞死亡的同時，釋放炎癥因子,，擴大炎癥反應(yīng),，造成發(fā)熱，低血壓,、敗血癥等癥狀,。以敗血癥為例，敗血癥是由致病菌侵入血液系統(tǒng),，并在其中生長繁殖,，產(chǎn)生毒素,，引起全身性感染，最新研究表明,，細胞自噬相關(guān)基因Atg7沉默后,，可激活細胞焦亡途徑。

2,、細胞焦亡與代謝性疾病或心血管疾病

（1）因代謝障礙或代謝旺盛等原因引起的疾病稱為代謝性疾病,，常見的有糖尿病、痛風(fēng),、糖尿病性心肌病等,。以糖尿病性心肌病為例，由心肌細胞死亡引起,，最新的研究顯示高血糖可以造成活性氧的產(chǎn)生增加,，進而上調(diào)NF-κB和TXNIP，NF-κB又可以上調(diào)NLRP3,、IL-1β前體以及IL-18前體的表達,；TXNIP通過改變NLRP3的結(jié)構(gòu)激活Caspase-1，活化的Caspase-1一方面切割Gasdermin D,，形成含有Gasdermin D氮端活性域的肽段,，誘導(dǎo)心肌細胞膜穿孔、破裂,，釋放內(nèi)容物,，引起炎癥反應(yīng)；另一方面,，活化的Caspase-1對IL-1β和IL-18的前體進行切割,，形成有活性的IL-1β和IL-18，并釋放到胞外,，募集炎癥細胞聚集,，擴大炎癥反應(yīng)。

（2）通過小鼠心肌炎動物模型研究發(fā)現(xiàn),， 1, 25-二羥基維生素D3能夠抑制心肌細胞焦亡信號通路阻止心肌細胞死亡,，使1, 25-二羥基維生素D3治療后的心肌炎小鼠病情狀況普遍得以改善。Cholecalciterol cholesterolemulsion attenuates experimental autoimmune myocarditis in mice via inhibitionof the pyroptosis signaling pathway.

（3）研究發(fā)現(xiàn),，高血糖環(huán)境下miRNA-9可通過作用于蛋白ELAVL1 (ELAV-like protein 1) ,，繼而抑制caspase-1及IL-1β在心臟及心肌細胞中的表達，阻遏高糖誘導(dǎo)的心肌細胞焦亡,，這為糖尿病心肌病提供了可能的治療靶點,。

3、細胞焦亡與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

神經(jīng)系統(tǒng)疾病包括腦損傷,，癲癇等,。以癲癇為例,，研究發(fā)現(xiàn)，癲癇發(fā)作可通過鉀離子外流等途徑激活NLRP1炎癥體,，進而激活依賴Caspase-1的焦亡途徑，導(dǎo)致癲癇進一步發(fā)展,。

4,、細胞焦亡與動脈粥樣硬化

（1）在動脈粥樣硬化的發(fā)展中，炎癥被認為是啟動和驅(qū)動動脈粥樣硬化的主要因素,。在高血脂,、氧化修飾的低密度脂蛋白等幾次下，激活Caspase-1,，介導(dǎo)血管內(nèi)皮細胞,、巨噬細胞、血管平滑肌細胞的焦亡與炎癥反應(yīng),，導(dǎo)致血管擴張功能障礙,、壞死中心的形成，粥樣硬化斑塊的穩(wěn)定,，最終造成動脈粥樣硬化,。

（2）研究發(fā)現(xiàn)NLRP3相關(guān)的下游分子 (ASC、caspase-1,、IL-1β及IL-18) 在動脈粥樣硬化斑塊中的表達明顯高于非動脈粥樣硬化血管,，且其表達的上調(diào)與斑塊的脆性密切相關(guān)，提示NLRP3炎性小體激活介導(dǎo)動脈粥樣硬化病變的演進,。NLRP3 Inflammasome Expressionand Activation in Human Atherosclerosis.

5,、細胞焦亡與腫瘤

（1）研究發(fā)現(xiàn)，在ROS及細胞毒素的作用下,，JNK激酶被激活并轉(zhuǎn)移到細胞核內(nèi),，促進焦亡相關(guān)基因的表達，啟動焦亡的形成,，控制腫瘤的發(fā)展,。

（2）一項采用5-氟尿嘧啶處理胃癌細胞系以探索胃癌化療機制的研究發(fā)現(xiàn)，gasdermin家族中的GSDME能將化療藥物誘導(dǎo)的caspase-3依賴的細胞凋亡轉(zhuǎn)換胃癌細胞焦亡,，進而達到治療目的,。GSDME mediatescaspase-3-dependent pyroptosis in gastric cancer.

6、細胞焦亡與腎相關(guān)疾病

（1）研究發(fā)現(xiàn),，長鏈非編碼RNA MALAT1 參與了糖尿病腎病腎小管上皮細胞的焦亡過程,。MALAT1 抑制了 mir-23c 的表達，mir-23c 的下調(diào)促進了其靶基因 ELAVL1 的表達,，ELAVL1 是一種細胞焦亡相關(guān)蛋白,，ELAVL1 表達增加后可促進下游 NLRP3,、Caspase-1、IL-1β,、IL-1 的生成,，最終導(dǎo)致腎臟炎癥反應(yīng)和細胞焦亡。Long noncodingRNA MALAT1 regulates renal tubular epithelial pyroptosis by modulated miR-23ctargeting of ELAVL1 in diabetic nephropathy.

（2）近年來研究發(fā)現(xiàn),，細胞焦亡同樣參與了腎臟纖維化的發(fā)生發(fā)展,。研究發(fā)現(xiàn) NLRP3 基因敲除的 UUO 小鼠與野生型相比，其活化的 Casapse-1/IL-18/IL-1β明顯減少,，且腎小球的損傷及小管間質(zhì)纖維化明顯減輕,。NLRP3 deficiency attenuatesrenal fibrosis and ameliorates mitochondrial dysfunction in a mouse unilateralureteral obstruction model of chronic kidney disease.

（3）晶體相關(guān)性腎病研究發(fā)現(xiàn)以含 100 μg/mL尿酸培養(yǎng)液培養(yǎng)腎小管上皮細胞發(fā)現(xiàn) TLR4、NLRP3,、Caspase-1,、IL-1β 表達的增加，予以 TLR4 的阻滯劑TAK242 干預(yù)后 NLRP3,、Caspase-1,、IL-1β的表達明顯減少，說明尿酸可通過 TLR4 激活 NLRP3 及下游焦亡信號因子,，導(dǎo)致腎臟炎癥反應(yīng)及細胞焦亡,。

Soluble uric acid increases NALP3 inflammasome and interleukin-1β expression in human primary renal proximaltubule epithelial cells through the Toll-like receptor 4-mediated pathway.

7、細胞焦亡與lncRNA

最近的研究表明,，lncRNA在調(diào)節(jié)細胞焦亡中具有重要作用,， 通過直接或間接作用于與細胞焦亡信號通路相關(guān)的蛋白質(zhì)，lncRNA參與了與心血管疾病,，腎臟疾病,，免疫疾病和其他疾病有關(guān)的病理過程。

Long non-coding RNAs and pyroptosis.

8,、重磅研究進展

（1）Science：ESCRT膜修復(fù)系統(tǒng)是細胞焦亡過程的補救機制

2018年11月23日,，Science發(fā)表了一篇細胞焦亡機制相關(guān)的重要研究論文，報道細胞發(fā)生焦亡激活的時候,，胞內(nèi)鈣離子流會因為GSDMD孔道而發(fā)生變化,，細胞以此為信號，募集ESCRT復(fù)合物進行損傷膜系統(tǒng)的修復(fù),。抑制ESCRT-III可顯著提高細胞焦亡的比例,。本文的報道發(fā)現(xiàn)了一種內(nèi)源的細胞焦亡過程中的補救機制，是細胞焦亡機制的重要進展,。

（2）Nature：化療藥物通過Caspase-3切割GSDME誘導(dǎo)細胞焦亡

2017年5月1日,，Nature發(fā)表了邵峰的一項重要研究成果，報道發(fā)現(xiàn)化療藥物誘導(dǎo)Caspase-3切割GSDME，實現(xiàn)細胞凋亡向細胞焦亡的轉(zhuǎn)變,。被Caspase-3切割后的GSDME的N端多肽也可以形成孔道,，最終導(dǎo)致炎癥性細胞因子的釋放。GSDME在正常組織中有一定的表達水平,，但經(jīng)常在腫瘤細胞中表達沉默,。GSDME敲除小鼠對一些化療藥物（如順鉑）誘發(fā)的組織損傷具有一定的抵抗能力。本文的工作首次發(fā)現(xiàn)了細胞凋亡的執(zhí)行者Caspase-3切割GSDMD同家族的另一成員GSDME,，可以實現(xiàn)細胞凋亡-細胞焦亡的轉(zhuǎn)變,。