吳 珊，陳俊宇,陳瑩瑩，徐 萍，趙本正，趙淑華*，趙靜霞*

(1.吉林大學(xué)第二醫(yī)院，吉林 長(zhǎng)春130041；2.吉林大學(xué)護(hù)理學(xué)院)

細(xì)胞焦亡是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的以促炎為特點(diǎn)的細(xì)胞程序性死亡，與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展及預(yù)后相關(guān)。GSDM蛋白家族包括6個(gè)成員，可通過(guò)多種途徑被半胱氨酸蛋白酶caspase切割，暴露其具有活性的N端，后者在細(xì)胞膜表面形成孔道，引起細(xì)胞腫脹，從而誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡，最終參與炎癥反應(yīng)、惡性腫瘤及神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生及發(fā)展，并對(duì)惡性腫瘤的治療及預(yù)后產(chǎn)生影響。此外，GSDM家族蛋白的單核苷酸多態(tài)性(SNP)還參與多種免疫性疾病的發(fā)生。

1 介紹

人GSDM蛋白是一類具有Gasdermin結(jié)構(gòu)域的蛋白家族，包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、GSDME(又稱DFNA5)及DFNB59共6個(gè)家族成員，之間具有45%的序列同源性[1]，與多種疾病(如耳聾、脫發(fā)、腫瘤、免疫性疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等)的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。GSDMA及GSDMB位于人第17號(hào)染色體，主要表達(dá)于胃腸道細(xì)胞，與哮喘及炎癥性腸病等免疫性疾病有關(guān)。GSDMC及GSDMD位于人第8號(hào)染色體，其中GSDMC主要表達(dá)于胃、食管及脾臟，與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)；GSDMD主要介導(dǎo)細(xì)胞焦亡，參與炎癥反應(yīng)，可能是一種抑癌基因。GSDME位于人第7號(hào)染色體，DFNB59位于人第2號(hào)染色體，分別為常染色體顯性及隱性遺傳基因，均在心、腦和腎臟表達(dá)，并與聽(tīng)力喪失有關(guān)。此外，GSDME可介導(dǎo)腫瘤細(xì)胞焦亡，參與化療藥物的耐藥及不良反應(yīng)。

2 GSDM蛋白家族與焦亡

細(xì)胞焦亡(pyroptosis)是以促炎為特點(diǎn)的一種細(xì)胞程序性死亡，依賴于炎性半胱氨酸蛋白酶caspase-1/4/5/11及凋亡半胱氨酸蛋白酶caspase-3的活化，而且其細(xì)胞死亡形態(tài)有別于凋亡及壞死。細(xì)胞焦亡有利于機(jī)體清除入侵的病原微生物，但這一過(guò)程募集大量的炎癥細(xì)胞，導(dǎo)致的過(guò)度炎癥反應(yīng)可造成內(nèi)毒素性休克等。此外，細(xì)胞焦亡在神經(jīng)系統(tǒng)疾病、動(dòng)脈粥樣硬化及免疫系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展中也發(fā)揮重要作用。

細(xì)胞焦亡的過(guò)程為：細(xì)胞膜上形成眾多孔隙，細(xì)胞膜失去完整性，膜屏障功能喪失，致使細(xì)胞腫脹溶解、DNA 斷裂并釋放大量LDH。在此過(guò)程中，細(xì)胞核保持完整。同時(shí)，焦亡細(xì)胞釋放IL-1β和IL-18，募集更多的炎癥細(xì)胞，進(jìn)一步增強(qiáng)炎癥反應(yīng)[2]。Ding等利用HEK293T細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，除DFNB59外，GSDM家族蛋白均具有N端和C端結(jié)構(gòu)域，有活性的N端結(jié)構(gòu)域釋放后可在細(xì)胞膜上形成孔道，誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡[3]。

2.1GSDMB與焦亡

GSDMB的主要作用是調(diào)節(jié)上皮細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化，其誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡的機(jī)制尚不明朗。在HEK293T細(xì)胞中，GSDMB被caspase-3/6/7切割后，形成具有活性的GSDMB-N端，并誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生焦亡。GSDM家族其他蛋白的C端對(duì)N端有自抑制作用，但GSDMB的C端并不抑制其N端與細(xì)胞膜脂質(zhì)結(jié)合，其N端與脂質(zhì)特異性結(jié)合的調(diào)節(jié)機(jī)制尚不明確[4]。

2.2GSDMD與焦亡

GSDMD是目前GSDM蛋白家族中研究最多、機(jī)制研究最完整的一種細(xì)胞焦亡相關(guān)蛋白，主要通過(guò)依賴caspase-1的經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑，以及依賴caspase-4/5/11的非經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑，誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生焦亡。

2.2.1病原體促進(jìn)caspase-1/4/5/11前體成熟化 在經(jīng)典炎癥小體信號(hào)通路中，各種模式識(shí)別受體(NLRP1、NLRP3、NLRC4、Pyrin及AIM2等)通過(guò)銜接蛋白ASC(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD)與caspase-1前體結(jié)合，形成炎癥小體。其中，NLRP1和 NLRC4還可不依賴ASC與caspase-1直接結(jié)合。炎癥小體一旦形成，即可對(duì)caspase-1前體進(jìn)行加工，使之形成有活性的Cleaved caspase-1(C cas-1)。C cas-1進(jìn)一步促進(jìn)IL-1β及IL-18的前體成熟，形成有活性的IL-1β和IL-18并分泌到細(xì)胞外，募集炎癥細(xì)胞，增強(qiáng)炎癥反應(yīng)[5]。

在非經(jīng)典炎癥小體信號(hào)通路中，各類革蘭陰性細(xì)菌如鼠傷寒沙門氏菌、伯克氏菌及福氏志賀桿菌[6]等感染細(xì)胞后釋放LPS，LPS可直接結(jié)合并激活 caspase-4、caspase-5與caspase-11，啟動(dòng)細(xì)胞焦亡[7]。

2.2.2caspase切割GSDMD形成有活性的N端 Shi等利用GSDMD基因敲除鼠發(fā)現(xiàn)，GSDMD-/-鼠細(xì)胞焦亡的數(shù)量明顯減少。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，GSDMD位于caspase-4/11和caspase-1下游，被caspase切割后，形成活性基團(tuán)GSDMD-N端，使TNF-α誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡向焦亡轉(zhuǎn)化[8]。Kayagaki等發(fā)現(xiàn)，在HEK293T細(xì)胞系中，GSDMD全長(zhǎng)及GSDMD-C端對(duì)細(xì)胞無(wú)殺傷作用，GSDMD-N端可誘導(dǎo)細(xì)胞出現(xiàn)劑量依賴性的細(xì)胞毒作用并導(dǎo)致其發(fā)生形態(tài)學(xué)變化[9]。以上數(shù)據(jù)表明，GSDMD-C端對(duì)N端具有自抑制作用。隨后，以HEK293T細(xì)胞進(jìn)行的免疫共沉淀實(shí)驗(yàn)證實(shí)，GSDMD-C端和GSDMD-N端可結(jié)合成穩(wěn)定的復(fù)合物。由此得出結(jié)論，在不同病原體的刺激下，caspase-1,4,5,11激活，并將GSDMD切割成具有活性的GSDMD-N端和具有自抑制作用的GSDMD-C端，前者與細(xì)胞膜的脂質(zhì)結(jié)合，致使細(xì)胞內(nèi)容物釋放，導(dǎo)致細(xì)胞死亡[7]。此外，GSDMD雖然與IL-1β前體的成熟無(wú)關(guān)，卻可介導(dǎo)IL-1β分泌，是成熟IL-1β分泌到細(xì)胞外的必要條件[8,10]。

2.2.3GSDMD-N端在脂質(zhì)雙分子層中形成環(huán)狀多聚體 GSDMD被caspase-1/4/5/11切割后，其N端特異性地與細(xì)胞膜內(nèi)頁(yè)的心磷脂及磷脂酰肌醇等脂質(zhì)結(jié)合，并定位于細(xì)胞膜形成多聚體。脂質(zhì)雙分子層的組成成分對(duì)細(xì)胞膜流動(dòng)性、曲率、壓縮性、脂筏形成及彈性等具有重要影響，這些特性與心磷脂、磷脂酰肌醇等特異性脂質(zhì)共同促使GSDMD-N端從內(nèi)頁(yè)插入細(xì)胞膜[7]。

2.2.4GSDMD-N端形成細(xì)胞膜孔 細(xì)胞焦亡是由細(xì)胞膜孔形成、細(xì)胞內(nèi)容物流出所導(dǎo)致的細(xì)胞漲亡。研究發(fā)現(xiàn)，直徑≤10 nm的分子可通過(guò)GSDMD-N孔，與顯微鏡下測(cè)得的孔內(nèi)徑相一致，說(shuō)明GSDMD-N端在細(xì)胞膜上形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)即脂質(zhì)體表面形成的功能孔。因此，細(xì)胞內(nèi)多種成分通過(guò)GSDMD-N孔外流，導(dǎo)致細(xì)胞腫脹、溶解，并最終發(fā)生焦亡[7]。

2.3GSDME與焦亡

GSDME最初作為耳聾基因而為人所知，且其可通過(guò)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡而影響惡性腫瘤化療[11]。最新實(shí)驗(yàn)表明，GSDME可誘發(fā)焦亡。在TNF或化療藥物誘導(dǎo)下，caspase-3表達(dá)上調(diào)并活化為Cleaved caspase-3(C cas-3)，GSDME被C cas-3切割后，其C端的自抑制作用解除，釋放出有活性的GSDME-N端，促使細(xì)胞膜孔形成，導(dǎo)致細(xì)胞腫脹，進(jìn)而引起細(xì)胞膜破裂，發(fā)生焦亡[12]。

3 GSDM蛋白家族與疾病

3.1GSDM蛋白家族與免疫性疾病

除胃腸道細(xì)胞外，GSDMA還表達(dá)于皮膚和乳腺，參與上皮組織的角化過(guò)程[13,14]，其單核苷酸多態(tài)性(SNP)與系統(tǒng)性硬化癥有關(guān)[15]。GSDMA和GSDMB的SNP參與哮喘、克羅恩病、潰瘍性結(jié)腸炎等自身免疫病[12,16,17]。其中，GSDMA主要與女性哮喘有關(guān)，其機(jī)制可能由于啟動(dòng)子的低甲基化[16]，而GSDMB主要與兒童期哮喘相關(guān)[18]。

3.2GSDM蛋白家族與炎癥

研究發(fā)現(xiàn)，GSDM家族蛋白可通過(guò)誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡，釋放促炎性細(xì)胞因子，促進(jìn)炎癥細(xì)胞募集，參與炎癥反應(yīng)。此外，GSDMD的N端可特異性地與磷脂酰肌醇、磷酯酰絲氨酸及心磷脂結(jié)合，而心磷脂是一些細(xì)菌細(xì)胞膜的重要成分[1]，可參與李斯特菌、沙門桿菌、金黃色葡萄球菌、大腸埃希菌和福氏志賀菌等多種感染性疾病的炎癥過(guò)程[6,19]。

3.3GSDM蛋白家族與腫瘤

GSDMA在胃癌及食管鱗癌細(xì)胞中表達(dá)下調(diào)，可通過(guò)TGF-β依賴的凋亡信號(hào)通路誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，因此，GSDMA可能是一種抑癌基因[1,13]。

在肝癌、胃癌及宮頸癌等惡性腫瘤中，GSDMB過(guò)表達(dá)與腫瘤的侵襲相關(guān)。在乳腺癌，GSDMB高表達(dá)與患者的低生存率及高轉(zhuǎn)移率有關(guān)，對(duì)于HER2陽(yáng)性乳腺癌，GSDMB過(guò)表達(dá)預(yù)示HER2靶向治療的低反應(yīng)性[20]。因此，GSDMB可能成為一種新型的乳腺癌標(biāo)志物，參與預(yù)后的評(píng)估。

GSDMC在正常結(jié)直腸組織中不表達(dá)，而在結(jié)直腸癌組織中高表達(dá)。Masashi Miguchi等研究發(fā)現(xiàn)，在結(jié)直腸癌中，TGFBR2常發(fā)生失活突變，導(dǎo)致GSDMC表達(dá)上調(diào)，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞增殖，促進(jìn)腫瘤發(fā)生。因此推斷GSDMC是一種癌基因，可能作為TGFBR2突變型結(jié)直腸癌治療的新靶點(diǎn)。然而，與正常胃及食管組織相比，GSDMC在胃癌及食管癌細(xì)胞中表達(dá)下調(diào)，可能發(fā)揮抑癌基因的功能。此外，GSDMC在正常上皮細(xì)胞中不表達(dá)，而在惡性黑色素瘤中表達(dá)，可能與細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移潛能有關(guān)[13,21]。因此GSDMC在腫瘤中的作用可能存在器官特異性。

研究發(fā)現(xiàn)，肝細(xì)胞癌中GSDME的表達(dá)水平顯著低于正常細(xì)胞，上調(diào)GSDME表達(dá)后，細(xì)胞增殖受到抑制，因此GSDME可能是一種抑癌基因[22]。相對(duì)于炎性caspase，5-FU、鹽酸阿霉素、順鉑及依托泊苷等化療藥物更易激活caspase-3，在表達(dá)GSDME的胃癌細(xì)胞中，5-FU可通過(guò)上調(diào)并激活caspase-3，從而切割GSDME來(lái)促進(jìn)細(xì)胞焦亡[12]。此外，GSDME可影響化療藥物的敏感性及不良反應(yīng)。Lage H等敲除惡性黑色素瘤細(xì)胞的GSDME后，細(xì)胞對(duì)依托泊苷的抗藥性增加，而上調(diào)GSDME的表達(dá)后，細(xì)胞對(duì)依托泊苷的敏感性增加。在胃癌、結(jié)直腸癌及乳腺癌等腫瘤細(xì)胞中，GSDME可因啟動(dòng)子甲基化而表達(dá)下調(diào)，以DNA甲基化酶抑制劑地西他濱處理后，可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞中GSDME表達(dá)上調(diào)，從而使腫瘤細(xì)胞對(duì)化療藥物更加敏感，并發(fā)生焦亡。然而，由于GSDME在腎、脾、小腸及睪丸等正常組織中表達(dá)，化療藥物可通過(guò)GSDME介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡殺死正常組織細(xì)胞，這可能是化療藥物產(chǎn)生不良反應(yīng)的重要原因之一[12]。

3.4GSDM家族與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

研究發(fā)現(xiàn)，在不同的刺激下，神經(jīng)元可通過(guò)經(jīng)典炎癥小體信號(hào)通路激活caspase-1，后者切割GSDMD并進(jìn)而促進(jìn)IL-1β和IL-18等促炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生與釋放，從而誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡[23，24]。在腦血管疾病，NLRP1及NLRP3炎癥小體可通過(guò)參與缺血性卒中的炎性反應(yīng)，促進(jìn)IL-1β等促炎因子的成熟與釋放，介導(dǎo)細(xì)胞凋亡與焦亡，從而造成神經(jīng)元損傷并影響腦梗死的預(yù)后[25]。在阿茲海默病(AD)，患者大腦內(nèi)NLRP1及NLRP3等炎癥小體相關(guān)蛋白的異常表達(dá)，β-淀粉樣蛋白及錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)的堆積可激活炎癥小體NLRP1，后者通過(guò)caspase-1切割GSDMD，誘發(fā)細(xì)胞焦亡，引起神經(jīng)元缺失，加重神經(jīng)退行性病變[26]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，抑制NLRP1/caspase-1的活性從而抑制GSDMD導(dǎo)致的神經(jīng)元細(xì)胞焦亡，可有效減少神經(jīng)元缺失，減少癲癇發(fā)作次數(shù)、推遲發(fā)作時(shí)間并降低發(fā)作嚴(yán)重程度[27]。

4 總結(jié)與展望

細(xì)胞焦亡是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一種新的細(xì)胞程序性死亡方式，與炎癥反應(yīng)、代謝性疾病、動(dòng)脈粥樣硬化、神經(jīng)系統(tǒng)疾病及腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)。GSDM蛋白家族是介導(dǎo)細(xì)胞焦亡的一組重要蛋白，如何通過(guò)下調(diào)GSDMD來(lái)預(yù)防過(guò)度的炎癥反應(yīng)，從而避免內(nèi)毒素性休克仍需進(jìn)一步研究。在對(duì)惡性腫瘤進(jìn)行化學(xué)治療時(shí)，可根據(jù)GSDME表達(dá)水平選擇合適的化療藥物，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞內(nèi)GSDME表達(dá)上調(diào)，從而提高化療藥物的敏感性并減少耐藥，是今后研究的重心。此外，還應(yīng)積極尋找GSDM家族其他蛋白與腫瘤的關(guān)系，為腫瘤的化學(xué)治療提供新的方向。因此，深入研究GSDM家族誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡的機(jī)制，有助于認(rèn)識(shí)該家族在疾病的發(fā)生、發(fā)展及轉(zhuǎn)歸中的作用，為疾病提供新的治療靶點(diǎn)。