劉超英，高 洪，嚴玉霖，富國文，趙 汝

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南昆明 650201)

細胞焦亡與炎癥發(fā)生研究進展

劉超英，高 洪*，嚴玉霖，富國文，趙 汝

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南昆明 650201)

真核細胞能夠啟動多種不同的自殺程序，非炎性的和促炎性的細胞死亡程序均可引起細胞應(yīng)答，從而導(dǎo)致重要系統(tǒng)生理反應(yīng)的發(fā)生。焦亡是一種由caspase-1依賴性介導(dǎo)的新的促炎程序性細胞死亡方式，伴有大量促炎因子的釋放并誘發(fā)級聯(lián)放大的炎癥反應(yīng)，對控制微生物感染非常關(guān)鍵。在不斷的進化過程中，病原體為增強自身引發(fā)疾病的能力出現(xiàn)了抑制焦亡的機制，即通過宿主細胞和病原體的競爭關(guān)系控制焦亡的發(fā)生，競爭結(jié)果可直接影響宿主細胞內(nèi)炎癥的爆發(fā)甚至細胞的存亡。論文對細胞焦亡的機制和特征、NLRs與炎癥小體、炎癥因子的形成和分泌的研究進展進行了綜述，以期為炎癥機制的研究提供參考。

焦亡；半胱天冬酶1；炎癥小體；Toll樣受體；Nod樣受體；白細胞介素1β；白細胞介素18

細胞死亡可以由多種生化途徑引發(fā)，并出現(xiàn)不同的形態(tài)學(xué)和生理學(xué)反應(yīng)[1]。細胞凋亡是目前得到最廣泛認知的一種細胞程序性死亡，該過程主要受到半胱天冬酶(cysteine-dependent aspartate-specific proteases，caspase)的調(diào)控[2]。除凋亡外，還有其他幾種內(nèi)因性途徑對細胞的自殺過程起積極作用。例如自噬、細胞脹亡和焦亡(pyroptosis)等。焦亡是一種依賴caspase-1的程序性細胞死亡途徑，該途徑可由一系列的細菌感染和非感染性刺激引發(fā)[3-5]。caspase-1是一種蛋白酶，能夠激活白介素1β(interleukin 1β，IL-1β)和白介素18(interleukin 18，IL-18)前體物質(zhì)，也可通過使質(zhì)膜破裂并釋放促炎性細胞內(nèi)容物引起細胞快速死亡，介導(dǎo)焦亡的發(fā)生，最初被稱為IL-1β轉(zhuǎn)化酶[6]。

1 焦亡的機制和特征

細胞凋亡和細胞焦亡之間存在顯著差異。凋亡過程的發(fā)生主要依賴caspase-3、caspase-6和caspase-8等多種酶，細胞內(nèi)容物由膜包裹后，巨噬細胞對其進行非炎癥性吞噬；而焦亡的主要特征是具有caspase-1依賴性，并伴隨細胞質(zhì)膜的快速裂解和促炎性細胞內(nèi)容物的釋放[7-9]。

多種致病菌，如傷寒沙門菌、銅綠假單胞菌和志賀菌等，以及細菌毒素，如炭疽桿菌致死毒素等，均能夠激活caspase-1途徑[10-11]。焦亡的發(fā)生途徑包括經(jīng)典焦亡途徑和非經(jīng)典焦亡途徑。經(jīng)典焦亡途徑中，核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白1(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 1，NLRP1)、NLRP3等模式識別受體可與半胱氨酸蛋白酶1前體(Pro-caspase-1)結(jié)合形成炎癥小體，在病原微生物的刺激下，炎癥小體可以將Pro-caspase-1加工成成熟的caspase-1，從而促進IL-1β和IL-18的成熟和釋放，引發(fā)炎癥反應(yīng)[12]。非經(jīng)典焦亡途徑中，革蘭陰性菌中的脂多糖首先可與caspase-4、caspase-5和caspase-11結(jié)合，然后通過與經(jīng)典焦亡現(xiàn)象相似的途徑引發(fā)焦亡過程[13]。兩種途徑的最終結(jié)果均可增大質(zhì)膜的孔徑，降低細胞離子梯度，使細胞滲透壓增加并吸水，從而導(dǎo)致細胞腫脹，最終發(fā)生滲透性溶解，并釋放炎性細胞內(nèi)容物。染色質(zhì)DNA的裂解常被視為凋亡的關(guān)鍵特征，然而，在焦亡中也會發(fā)生DNA損傷。焦亡中的DNA裂解是由caspase-1激活的一種核酸酶引起的，這種酶不能裂解完整的DNA并產(chǎn)生典型的低聚糖核小體DNA片段模型，因此，焦亡的細胞核具有完整性[14-15]。

2 NLRs與炎癥小體

核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域(nucleotide-binding oligomerization domain,Nod)Nod樣受體(Nod-like receptors，NLRs)蛋白炎癥體(pattern-recognition receptors，PRRs)與Toll樣受體(Toll like receptors，TLRs)均為模式識別受體。焦亡過程中的炎癥小體主要由NLRs、適配器蛋白含胱天氨酸酶募集結(jié)構(gòu)域的凋亡相關(guān)斑點樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC)和caspase-1三部分組成[16-20]。

致病性微生物的入侵或組織損傷可使宿主產(chǎn)生應(yīng)答，并形成“危險”信號。Toll樣受體可以啟動信號級聯(lián)反應(yīng)對細胞外“危險”信號進行應(yīng)答，這一級聯(lián)反應(yīng)能夠激活細胞炎癥因子，如腫瘤壞死因子(tumour necrosis factor，TNF)、IL-6、IL-8和Ⅰ型干擾素(type Ⅰ interferons，IFNs)等[21]。NLRs識別“危險”信號后，可利用它們的核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域進行核苷酸依賴性寡聚化。凋亡相關(guān)點樣蛋白(apoptotic speck-like protein containing a CARD，ASC)含有半胱氨酸蛋白酶激活和募集結(jié)構(gòu)域并能與caspase-1互作。一些NLRs(如NLRP3)可結(jié)合到ASC上并對caspase-1進行處理和激活[22-25]。而NLRC4含有一個caspase激活和募集結(jié)構(gòu)域(caspase activation and recruitment domain，CARD)，在過表達時可與caspase-1直接發(fā)生互作。Nod樣受體核苷酸結(jié)合寡聚域樣受體蛋白1(nucleotide binding oligomerization domain-like receptor 1，Nod1)和Nod2在識別配體后也可引發(fā)信號級聯(lián)反應(yīng)，對細菌感染和毒素入侵作出應(yīng)答，釋放成熟的炎癥因子。NLRs與TLRs均可增強對由ATP處理和耶爾森菌感染所引起的NLR介導(dǎo)的caspase-1激活的敏感性，它們也可刺激pro-IL-1β的產(chǎn)生和胞內(nèi)累積[10,12,17]。因此，TLRs、Nod1和Nod2可引起細胞內(nèi)caspase-1的激活并產(chǎn)生大量的IL-1β和IL-18，引發(fā)炎癥級聯(lián)放大反應(yīng)。有研究表明，在既定刺激下，單個NLR可以使caspase-1發(fā)生激活，并可在體外觀察到炎癥小體[26-27]。然而，其他的數(shù)據(jù)表明多個NLR之間的互作可能更有助于炎癥小體的形成[28]。例如，神經(jīng)元凋亡抑制蛋白5(neuronal apoptosis inhibitory protein 5，NAIP5)能夠影響軍團桿菌激活caspase-1的能力。NAIP5含有一個病原體敏感性亮氨酸重復(fù)序列(leucine-rich-repeat，LRR)并能夠與NLRC4結(jié)合，但其在炎癥小體中的確切作用尚不清楚[29]。

微生物感染可引起細胞損傷及宿主危險信號的釋放，刺激caspase-1的激活。在以沙門菌或炭疽桿菌致死毒素處理后，可在顯微鏡下觀察到細胞內(nèi)的炎癥小體，此時炎癥小體可以激活在單個炎癥復(fù)合體中和細胞質(zhì)中彌散分布的caspase-1[30]。在無NLR的情況下，銜接蛋白ASC能夠自我結(jié)合并形成相似大小的復(fù)合體。然而，在ASC缺陷的巨噬細胞中，沙門菌引發(fā)的caspase-1激活量有所減少。這一研究表明，雖然在ASC缺失的情況下，NLRC4也可以與caspase-1結(jié)合，但是ASC的存在能夠促進caspase-1的激活。因此，對炎癥小體的有效成分進行深入透徹的研究，有助于了解其在caspase-1活性的調(diào)控中的作用方式。

3 炎癥因子的形成和分泌

在焦亡過程中，炎性因子IL-1β和IL-18的激活和分泌主要依賴于caspase-1。IL-1β可由單核細胞、巨噬細胞和上皮細胞產(chǎn)生，是主要的前炎癥細胞因子，能夠有效的刺激發(fā)熱、白細胞組織遷移和多種細胞因子及趨化因子的的表達[31]。IL-18能夠誘導(dǎo)γ干擾素(interferon-γ，IFNγ)的產(chǎn)生，對T細胞、巨噬細胞和其他細胞的激活也十分重要[32]。IL-1β和IL-18在一系列炎癥性和自身免疫性疾病的發(fā)生機理中都起到十分重要的作用。盡管細胞因子并不是細胞死亡程序中所必須的，但它們的產(chǎn)生有助于焦亡細胞炎癥反應(yīng)的發(fā)生。IL-1β和IL-18缺少分泌信號，而且它們的釋放機制尚未完全明確。caspase-1依賴性的質(zhì)膜孔的形成目前與巨噬細胞中細胞因子的釋放有關(guān)，這就表明細胞因子是通過這些孔分泌的。此外，藥物抑制并不能阻止細胞膜上孔的形成和細胞因子的分泌，所以細胞因子的分泌和細胞裂解均為caspase-1依賴性膜孔形成的下游結(jié)果。

另外，IL-1β和IL-18也可通過其他機制進行分泌和釋放。例如，單核細胞可將激活狀態(tài)的caspase-1和炎癥因子底物包裹起來，送入溶酶體，處理后的炎癥因子通過溶酶體與細胞表面的融合進行分泌釋放。盡管這是一種無焦亡情況下也會發(fā)生的細胞因子分泌機制，但最新的研究表明這種機制在單核細胞中可能會受焦亡信號通路的限制[33]。在ATP激活caspase-1的一系列細胞中，如樹突細胞、小膠質(zhì)細胞和巨噬細胞等，均可觀察到囊泡中細胞因子的釋放。

除上述兩種細胞因子外，caspase-1的激活也需要大量的其他炎癥因子。激活的caspase-1能夠通過一種未知的機制與IL-1α結(jié)合并促進IL-1α的分泌。有報道表明，利用脂多糖刺激后，caspase-1缺陷型巨噬細胞內(nèi)TNF和IL-6的分泌量出現(xiàn)了顯著降低[34]。這是因為TLR銜接蛋白(Toll/interleukin-1 receptor domain-containing adapter protein，TIRAP)發(fā)生裂解后，caspase-1直接作用于TIRAP從而產(chǎn)生了更多的TNF和IL-6，使TLR2和TLR4配體引發(fā)巨噬細胞激活[29]。因此，除IL-1β和IL-18外，caspase-1也能夠通過其他細胞因子的應(yīng)答對炎癥反應(yīng)進行調(diào)控。

4 結(jié)語

大多數(shù)的微生物都能夠引發(fā)caspase-1的激活，因此細胞焦亡過程中炎癥因子產(chǎn)生和病原體復(fù)制的相關(guān)調(diào)控均為caspase-1依賴性過程。病原體可利用毒力因子抑制caspase-1的激活，而宿主細胞在有病原體侵入時就會激活caspase-1的相關(guān)通路，兩者之間在調(diào)控caspase-1活性中形成競爭關(guān)系影響細胞的存亡。通常情況下，宿主細胞內(nèi)的caspase-1依賴程序能夠通過釋放炎性因子控制微生物的感染，從而保護宿主細胞，但也有研究表明，焦亡的發(fā)生可能會使疾病進一步加重，引發(fā)級聯(lián)放大的炎癥反應(yīng)，使細胞崩潰裂解，釋放內(nèi)容物[35]。例如艾滋病患者體內(nèi)焦亡過程的發(fā)生會使HIV感染更多的T細胞，使免疫系統(tǒng)逐漸崩潰[36]。因此，抑制T細胞的焦亡，就有可能增強人體的免疫力來治療艾滋病。目前，對細胞焦亡與炎癥的發(fā)生過程的探索和焦亡在疾病治療中的應(yīng)用已成為分子生物學(xué)和細胞生物學(xué)方面的研究熱點。由于焦亡過程的發(fā)生及炎癥因子的釋放可直接影響細胞和機體的生理學(xué)、形態(tài)學(xué)及病理學(xué)的變化，因此，深入探討焦亡和caspase-1依賴程序?qū)ρ装Y治療、宿主細胞免疫應(yīng)答的作用，在醫(yī)療應(yīng)用方面具有十分重要的意義。

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ProgressonPyroptosisandInflammation

LIU Chao-ying,GAO Hong,YAN Yu-lin,FU Guo-wen,ZHAO Ru

(FacultyofAnimalScienceandTechnology,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming,Yunnan,650201,China)

Several distinct programmes of self-destruction can be initiated by eukaryotic cells,and non-inflammatory or proinflammatory cell death process can instruct responses of neighbouring cells,which in turn dictates important systemic physiological outcomes.Pyroptosis is a new way of inflammatory programmed cell death,which is mediated by caspase-1 and accompanied by the release of a large amount of proinflammatory factor and inducing a cascade amplification of the inflammatory response.It is crucial for controlling microbial infections.Pathogens have evolved mechanisms to inhibit pyroptosis and enhance their ability to persist and cause disease.There is a competition between host and pathogen to regulate pyroptosis,and the outcome immediately impacts inflammation and life or death of the host.The mechanism and characteristics of pyroptosis and research progress of NLRs and inflammasome,formation and secretion of inflammatory cytokines were reviewed in this paper, so as to provide reference for the study of inflammatory mechanism.

pyroptosis;Caspase-1;inflammasome; Toll-like receptor;Nod-like receptor;interleukin 1β;interleukin 18

2017-03-20

國家自然科學(xué)基金項目(31660704)；云南省教育廳科學(xué)研究基金項目(2017YJS028)

劉超英(1992-)，女，河南安陽人，博士研究生，主要從事特種經(jīng)濟動物健康養(yǎng)殖方向研究。*

S852.33

:A

:1007-5038(2017)09-0101-04