细胞焦亡

细胞焦亡（pyroptosis）简称焦亡，是一种高度炎症形式的“溶解性细胞程序性死亡方式”，最常发生在感染胞内病原体时，很可能构成抗菌反应的一部分。此过程通过去除胞内复制龛（replication niches）并增强宿主防御反应，从而促进各种细菌、病毒、真菌和原生动物感染的快速清除。焦亡可在免疫细胞中发生，也有报道发生在角质形成细胞和一些上皮细胞中。

焦亡不同于凋亡，比细胞凋亡发生得更快；焦亡依赖于胱天蛋白酶-1/4/5，且伴有大量促炎症因子释放。焦亡表现为细胞不断胀大直至细胞膜破裂，导致细胞内容物及促炎症因子大量释放，进而激活强烈的炎症反应，激发其他免疫细胞抵抗感染并导致组织炎症；是机体一种重要的天然免疫应答，在抗击感染中发挥重要作用。

细胞焦亡的名称来源于其英文“pyroptosis”中的词根“pyro-”为“火焰”之意。

## 历史

在感染革兰阴性志贺氏菌小鼠巨噬细胞的研究中，Chen等首次报道胱天蛋白酶1依赖性的细胞死亡。志贺氏菌侵入人类宿主结肠黏膜，并且感染固有层的吞噬细胞，从而导致广泛的巨噬细胞死亡和脓肿形成。1992年，Zychlinsky等所进行的研究发现，弗氏志贺氏菌可诱导感染的宿主巨噬细胞发生程序性死亡，但被认为是细胞的凋亡作用。因为其与细胞凋亡具有某些共同特征，包括DNA片段化、核凝聚和胱天蛋白酶依赖性。1999年，对沙门杆菌感染的巨噬细胞的研究也证实存在胱天蛋白酶1依赖性程序性死亡方式，同时伴随大量促炎性细胞因子释放，而与胱天蛋白酶3、胱天蛋白酶6、胱天蛋白酶7的激活无关。2001年，Brennan和Cookson首次用“Pyroptosis”来描述这种独特的程序性细胞死亡方式，其中“pyro”是指“促炎介质的释放”，“ptosis”表示“下降”，而Pyroptosis则被称为“细胞焦亡”，从而把这种具有促炎和细胞溶解性质的新型细胞程序性死亡途径同细胞凋亡、坏死区分开来。2011年，在观察鼠感染伤寒沙门氏菌的巨噬细胞死亡时，再次证实细胞焦亡是一种新的细胞程序性死亡。细胞焦亡被重新定义为“由Gasdermin蛋白介导的一种程序性细胞坏死”。更深入的研究发现，这是一种新的程序性细胞死亡方式，不依赖于细胞凋亡相关的胱天蛋白酶3的活性，而是由胱天蛋白酶1介导，且胱天蛋白酶1特异性阻断剂和胱天蛋白酶1基因剔除的巨噬细胞可以阻止，并且抵抗弗氏志贺氏杆菌所诱导的巨噬细胞死亡；而胱天蛋白酶3或p53缺失的巨噬细胞却不能抵抗细胞死亡。此外，在李斯特菌、嗜肺军团菌、假结核耶尔森菌、绿脓杆菌等病原体感染的巨噬细胞中也证实存在胱天蛋白酶1依赖性的细胞程序性死亡。

## 特徴

细胞凋亡是生理性主动自发的程序性细胞死亡方式，而细胞焦亡则是高度炎症性的程序性细胞死亡方式。细胞焦亡在形态学上同时具有部分细胞凋亡和细胞坏死性死亡的特征，但细胞焦亡的生物学效应及细胞形态学等又有别于细胞凋亡。发生焦亡的细胞因胞膜微孔的形成，会失去了调控物质进出的能力、打破胞膜两侧的渗透平衡，以及导致IL-1β和IL-18、高迁移率族蛋白-1等炎症因子及促炎介质的释放，细胞此时充满液体呈气球样，质膜从细胞骨架脱离。最终细胞胀破及溶解，胞质内容物被释放到外界，并且因对邻近细胞产生促炎信号，募集到更多的炎症细胞，而引发明显的炎性反应。细胞焦亡会出现轻微的去氧核糖核酸（DNA）损伤和染色体浓缩现象，并且在末端脱氧核苷酸转移酶所介导的TUNEL检测中显示阳性反应，焦亡细胞的DNA降解程度和TUNEL染色强度，不像细胞凋亡般有高且有少量的梯带状DNA的存在，此时焦亡细胞的胞核仍然保持完整，无核碎裂表现，仅出现轻度的核浓缩，并且在胞核周围形成球形囊泡。胞质载有细胞器也保持完整，但其功能何时丧失目前仍然不清楚，有研究指出发生焦亡的骨髓来源巨噬细胞，在胞膜穿孔形成1分钟内，线粒体就停止了活动。焦亡细胞在最终溶解之前，会形成直径约为1至5微米的焦亡小体，而游离的焦亡小体可以被吞噬细胞吞噬，或者作为细胞间传递物质和信息的载体。

## 机制

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Nod样受体负责识别细菌、病毒，以及宿主内源性分子和有毒外来物，并且令炎症小体检测到危险信号后，由PRRs募集必要成分并组装，从而刺激下游胱天蛋白酶1的激活。GSDMD蛋白是炎性胱天蛋白酶的关键焦亡底物，含有的480个氨基酸，能被分为两个结构域，并且能通过一个长圆环相互联系，该圆环中的天冬氨酸位点上能被胱天蛋白酶所裂解，产生具有激活细胞焦亡作用的N-端及自我抑制作用的C-端。胱天蛋白酶1/4/5/11的激活一方面切割GSDMD蛋白，令GSDMD蛋白N-末端及C-末端之间的长圆环连接断开，产生成孔蛋白GSDMD-NT，从单体变成寡聚物，并且转移至细胞膜上，因其会与心磷脂及磷脂酰肌醇或脂质混合体结合而打乱了细胞膜的结构，形成直径约为10至20 nm且允许水分子等物质进入细胞的活性孔隙，引起肿胀及裂解，最终导致细胞焦亡。作为单独构建体的GSDMD-C和GSDMD-N可形成稳定相互作用，足以抑制GSDMD-N的细胞毒性。另一方面，胱天蛋白酶1/4/5/11的激活使炎症因子IL-1β及IL-18成熟并释放。尽管细胞焦亡本身不需要这两种细胞因子，其释放有助于促进及加重焦亡所引起的炎症反应。

## 活化途径

目前普遍认为经典细胞焦亡途径即为经由胱天蛋白酶1介导发生的细胞焦亡途径，并且由一系列能够形成炎性小体的模式识别受体所触发。炎性小体是细胞质中由多种蛋白组成的复合物，主要包括细胞质内的Nod样受体、适配器蛋白和半胱氨酸蛋白酶-1前体。每个炎性小体通常包含1个胱天蛋白酶的激活和募集域 (CARD) 和1个PYRIN域（PYD），而仅含有1个PYD的炎性小体需通过PYCARD蛋白进行信号转导，而含CARD的炎性小体则可通过PYCARD蛋白或直接与凋亡蛋白酶-1信号转导。其中最常见的是NOD样受体，通过识别同源配体的方式，与PYCARD蛋白结合，形成大分子复合物，进而激活胱天蛋白酶-1，并且促进介白素-1β及介白素-18的分泌。之后炎症因子穿过细胞膜膜孔，过度启动细胞免疫，继而诱导细胞焦亡。细胞焦亡存在着非经典细胞焦亡途径，然而相关机制尚不明确，故需更多的研究进一步深入探索。人类体内缺乏胱天蛋白酶-11，而这种细胞内脂多糖相关信号通路目前尚不清楚。人类的胱天蛋白酶-4、胱天蛋白酶-5作为胱天蛋白酶-11的相似物，能直接与脂多糖结合，激活与胱天蛋白酶-11类似的细胞焦亡过程。

## 通路中涉及的因素

### TLR

类铎受体（即Toll样受体、TLR）负责识别位于细胞表面或内体中的病原相关分子模式，并且启动信号通路，包括核因子活化B细胞κ轻链增强子和丝裂原活化蛋白激酶的激活，进而负责产生IFNα/β、TNF和IL-12等炎性细胞因子。此外，因出现由半胱氨酸介导的胱天蛋白酶1加工，IL-1β前体和IL-18前体被释放。

### NLR

NOD样受体（NLR）由20多个子集组成，包括NOD1、NOD2、NLRP3及NLRC4等，可以识别到引入宿主细胞胞质溶胶中的细菌、病毒和有毒异物。经识别后，NOD1和NOD2的功能类似于Toll样受体，产生和加工炎症细胞因子。其中的一些子集（例如NLRP3）也可以激活胱天蛋白酶1依赖性的细胞焦亡，伴随细胞膜小孔形成，并且受到细胞钾外排的进一步刺激。NLRC4可以特异性识别鞭毛蛋白，然后触发胱天蛋白酶1依赖的焦亡。NOD样受体会识别分子模式的危险信号，并且积聚炎症小体。

## 临床意义

细胞凋亡通过引起病理性炎症而充当着抵抗感染的防御机制。炎性小体的形成和胱天蛋白酶1的活性决定了病原体分解和疾病之间的平衡。在健康的细胞中，胱天蛋白酶1激活了可通过引入细胞死亡来限制病原体的生长，来帮助抵抗沙门氏菌和志贺氏菌引起的感染。当检测到危险信号时，休眠细胞将被激活以进行焦亡，并且产生炎性因子IL-1β和IL-18。IL-18将刺激干扰素-γ的产生，并且引发辅助型T细胞-1反应的发展，而TH1反应趋向释放能够指导清除病原体的细胞因子。细胞活化会导致细胞因子水平的增加，增加炎症的效果，继而随着感染的进行而促进适应性反应的发展。最终将清除病原体。然而，持续的炎症反应会产生过多且有害的免疫细胞。如果这个情况持续下去，就会发生代谢紊乱、炎症性疾病，以及与慢性炎症相关的肝损伤。

### 胰岛素抗性

胰岛素与胰岛素受体结合后，通常会启动下游激活的信号级联通路，如PI3K-AKT和MAPK-ERK信号通路途径等，进而起到调节血糖的作用。胰岛素抵抗的发生会导致胰岛素的靶器官脂肪、肝脏和骨骼肌对葡萄糖的调节能力降低。细胞焦亡的发生以及casepase-1和IL-β的分泌，在糖尿病患者胰岛素抵抗的形成中充当重要角色。

细胞焦亡直接影响脂肪细胞的成熟与分化，相应功能的蛋白表达会受到影响，而抑制casepase-1可以增加脂肪细胞成熟的相关蛋白过氧化物酶体增殖物活化受体，并且影响到Glut4（一种胰岛素代谢途径中的关键蛋白）和胰岛素增敏激素脂联素的表达。实际上，IL-1β也有相似的作用，因为用IL-1β处理的脂肪细胞分化为成熟脂肪细胞的能力会降低，同时出现胰岛素抵抗和葡萄糖摄取能力降低的情况。细胞焦亡可以引起胰岛素代谢通路的障碍，因为有脂肪组织慢性炎性反应的发生，而慢性炎性反应则是胰岛抵抗发生的原因之一，细胞焦亡可以引起脂肪组织中的CD4+和CD8+ T细胞增多，并且影响巨噬细胞的数量，减少促炎细胞因子肿瘤坏死因子-α和趋化因子Ccl20和CXCL1的表达。

炎性反应在胰岛素抵抗中起著因果作用，抑制相应的炎性反应可以改善胰岛素抵抗，脂肪组织中激活的T细胞数量减少，可以降低炎性反应，并且改善胰岛素作用。如果靶向抑制炎性细胞因子，胰岛素相关信号通路可以得到改善。不仅葡萄糖转运作用会增加、葡萄糖摄取的关键蛋白Irs-1和Glut4的表达，以及传导信号通路的AKT磷酸化水平也会提高。

### 糖尿病

糖尿病是引起血液代谢物与肠道菌群的改变是引起细胞焦亡的两个关键因素。糖尿病会引起高血糖，而高血糖引起血液中磷脂酶C及二酰基巯基乙醇的形成，并且激活蛋白激酶C，继而引起烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶系统产生活性氧类（ROS），最终激活NLRP3焦亡小体，引起细胞焦亡。有研究指出NLRP3基因的表达会在高血糖和高血脂动物模型中提高。糖尿病的其他一些代谢物如β-淀粉样蛋白、神经酰胺、三磷酸腺苷和尿酸等都可以激活NLRP3焦亡小体，促进糖尿病的发展。此外，游离脂肪酸通过产生ROS或内质网应激，诱导NLRP3焦亡小体的激活，继而引起细胞焦亡的发生。

糖尿病患者体内的焦亡小体与肠道微生物有明显的相关关系，并且与肠道中致病细菌与介白素-1、介白素-18和胱天蛋白酶1的释放有关。目前尚不清楚肠道微生物激活细胞焦亡的具体机制，但是可能与肠道菌群结构改变、肠道菌群的代谢产物的改变，以及肠道结构完整性有关。糖尿病患者体内革兰阴性杆菌的比例会上升，而促进宿主肠道新陈代谢及保持肠道完整性的丁酸盐的产生会减少，令肠道屏障功能受到破坏，并进一步引起血液中的脂多糖上升，而脂多糖会激活非经典细胞焦亡通路，引致细胞焦亡的发生及IL-1A的释放。有研究指出秋水仙素及不饱和脂肪酸等也可以抑制糖尿病患者胰岛的细胞焦亡，减缓糖尿病进程及并发症的发生。

### 低温症

炎症小体的基因编码突变是会导致一组称为cryopyrinopathies的炎症性疾病。该组炎症性疾病包括Muckle-Wells综合征、寒冷型自身炎症综合征（cold autoinflammatory syndrome）、慢性婴儿神经性皮肤和关节综合征，均表现出突然发烧和局部炎症的症状。在这种情况下，突变的基因是NLRP3，因阻碍了炎性体的激活而导致IL-1β的过量产生。这种效果称为功能获得（gain-of-function）。

### 人类免疫缺陷病毒及艾滋病

最近的研究表明，胱天蛋白酶1介导的细胞焦亡通过人类免疫缺陷病毒（HIV）驱动CD4 T细胞的消耗和炎症，这两个标志性事件促使HIV疾病发展为艾滋病。尽管发烧是通过去除细胞内复制壁，并通过释放促炎性细胞因子和内源性危险信号来增强宿主的快速限制和清除感染的能力，但在病原体炎症（例如由HIV-1引起的炎症）中，这种焦亡是不根除主要刺激。它实际上似乎造成了一个致病性的恶性循环，其中垂死的CD4 T细胞释放出炎症信号，从而将更多的细胞吸引到感染的淋巴组织中而死亡，并且产生慢性炎症和组织损伤。使用安全且有效的胱天蛋白酶1抑制剂有可能打破这致病周期。这些药物可以为感染HIV的受试者提供一种针对宿主而不是针对病毒的新颖抗艾滋病疗法。值得注意的是缺乏胱天蛋白酶1的小鼠正常发育，目前认为抑制这种蛋白会对HIV患者产生有益而非有害的治疗作用。

### 感染性疾病

宿主细胞被病原体入侵后，这些病原体能够在含有病原体的液泡或细胞质中进行复制。细胞焦亡能清除病原体所利用的地方，释放已死亡的宿主细胞的内容物，从而为炎症级联反应提供强有力的信号，局部炎性反应则导致免疫细胞的招募和启动，最终导致病原体从宿主体内清除。同时DNA和RNA病毒也可以激活炎症小体，并且引起细胞焦亡，如未受感染的肝细胞感染丙型肝炎病毒后可引致胱天蛋白酶1依赖性的焦亡。