吳 珊，陳俊宇,陳瑩瑩，徐 萍，趙本正，趙淑華*，趙靜霞*

(1.吉林大學第二醫(yī)院，吉林 長春130041；2.吉林大學護理學院)

細胞焦亡是近年來發(fā)現的以促炎為特點的細胞程序性死亡，與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展及預后相關。GSDM蛋白家族包括6個成員，可通過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，后者在細胞膜表面形成孔道，引起細胞腫脹，從而誘導細胞焦亡，最終參與炎癥反應、惡性腫瘤及神經系統(tǒng)疾病的發(fā)生及發(fā)展，并對惡性腫瘤的治療及預后產生影響。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結構域的蛋白家族，包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、GSDME(又稱DFNA5)及DFNB59共6個家族成員，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、神經系統(tǒng)疾病等)的發(fā)生發(fā)展密切相關。GSDMA及GSDMB位于人第17號染色體，主要表達于胃腸道細胞，與哮喘及炎癥性腸病等免疫性疾病有關。GSDMC及GSDMD位于人第8號染色體，其中GSDMC主要表達于胃、食管及脾臟，與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關；GSDMD主要介導細胞焦亡，參與炎癥反應，可能是一種抑癌基因。GSDME位于人第7號染色體，DFNB59位于人第2號染色體，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，并與聽力喪失有關。此外，GSDME可介導腫瘤細胞焦亡，參與化療藥物的耐藥及不良反應。

2 GSDM蛋白家族與焦亡

細胞焦亡(pyroptosis)是以促炎為特點的一種細胞程序性死亡，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，而且其細胞死亡形態(tài)有別于凋亡及壞死。細胞焦亡有利于機體清除入侵的病原微生物，但這一過程募集大量的炎癥細胞，導致的過度炎癥反應可造成內毒素性休克等。此外，細胞焦亡在神經系統(tǒng)疾病、動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。

細胞焦亡的過程為：細胞膜上形成眾多孔隙，細胞膜失去完整性，膜屏障功能喪失，致使細胞腫脹溶解、DNA 斷裂并釋放大量LDH。在此過程中，細胞核保持完整。同時，焦亡細胞釋放IL-1β和IL-18，募集更多的炎癥細胞，進一步增強炎癥反應[2]。Ding等利用HEK293T細胞的研究發(fā)現，除DFNB59外，GSDM家族蛋白均具有N端和C端結構域，有活性的N端結構域釋放后可在細胞膜上形成孔道，誘導細胞焦亡[3]。

2.1GSDMB與焦亡

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

2.2GSDMD與焦亡

GSDMD是目前GSDM蛋白家族中研究最多、機制研究最完整的一種細胞焦亡相關蛋白，主要通過依賴caspase-1的經典細胞焦亡途徑，以及依賴caspase-4/5/11的非經典細胞焦亡途徑，誘導細胞發(fā)生焦亡。

2.2.1病原體促進caspase-1/4/5/11前體成熟化 在經典炎癥小體信號通路中，各種模式識別受體(NLRP1、NLRP3、NLRC4、Pyrin及AIM2等)通過銜接蛋白ASC(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD)與caspase-1前體結合，形成炎癥小體。其中，NLRP1和 NLRC4還可不依賴ASC與caspase-1直接結合。炎癥小體一旦形成，即可對caspase-1前體進行加工，使之形成有活性的Cleaved caspase-1(C cas-1)。C cas-1進一步促進IL-1β及IL-18的前體成熟，形成有活性的IL-1β和IL-18并分泌到細胞外，募集炎癥細胞，增強炎癥反應[5]。

在非經典炎癥小體信號通路中，各類革蘭陰性細菌如鼠傷寒沙門氏菌、伯克氏菌及福氏志賀桿菌[6]等感染細胞后釋放LPS，LPS可直接結合并激活 caspase-4、caspase-5與caspase-11，啟動細胞焦亡[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，GSDMD-/-鼠細胞焦亡的數量明顯減少。進一步的實驗證實，GSDMD位于caspase-4/11和caspase-1下游，被caspase切割后，形成活性基團GSDMD-N端，使TNF-α誘導的細胞凋亡向焦亡轉化[8]。Kayagaki等發(fā)現，在HEK293T細胞系中，GSDMD全長及GSDMD-C端對細胞無殺傷作用，GSDMD-N端可誘導細胞出現劑量依賴性的細胞毒作用并導致其發(fā)生形態(tài)學變化[9]。以上數據表明，GSDMD-C端對N端具有自抑制作用。隨后，以HEK293T細胞進行的免疫共沉淀實驗證實，GSDMD-C端和GSDMD-N端可結合成穩(wěn)定的復合物。由此得出結論，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，前者與細胞膜的脂質結合，致使細胞內容物釋放，導致細胞死亡[7]。此外，GSDMD雖然與IL-1β前體的成熟無關，卻可介導IL-1β分泌，是成熟IL-1β分泌到細胞外的必要條件[8,10]。

2.2.3GSDMD-N端在脂質雙分子層中形成環(huán)狀多聚體 GSDMD被caspase-1/4/5/11切割后，其N端特異性地與細胞膜內頁的心磷脂及磷脂酰肌醇等脂質結合，并定位于細胞膜形成多聚體。脂質雙分子層的組成成分對細胞膜流動性、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共同促使GSDMD-N端從內頁插入細胞膜[7]。

2.2.4GSDMD-N端形成細胞膜孔 細胞焦亡是由細胞膜孔形成、細胞內容物流出所導致的細胞漲亡。研究發(fā)現，直徑≤10 nm的分子可通過GSDMD-N孔，與顯微鏡下測得的孔內徑相一致，說明GSDMD-N端在細胞膜上形成的環(huán)狀結構即脂質體表面形成的功能孔。因此，細胞內多種成分通過GSDMD-N孔外流，導致細胞腫脹、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，且其可通過誘導細胞凋亡而影響惡性腫瘤化療[11]。最新實驗表明，GSDME可誘發(fā)焦亡。在TNF或化療藥物誘導下，caspase-3表達上調并活化為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，促使細胞膜孔形成，導致細胞腫脹，進而引起細胞膜破裂，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

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

3.2GSDM蛋白家族與炎癥

研究發(fā)現，GSDM家族蛋白可通過誘導細胞焦亡，釋放促炎性細胞因子，促進炎癥細胞募集，參與炎癥反應。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合，而心磷脂是一些細菌細胞膜的重要成分[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程[6,19]。

3.3GSDM蛋白家族與腫瘤

GSDMA在胃癌及食管鱗癌細胞中表達下調，可通過TGF-β依賴的凋亡信號通路誘導細胞凋亡，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過表達與腫瘤的侵襲相關。在乳腺癌，GSDMB高表達與患者的低生存率及高轉移率有關，對于HER2陽性乳腺癌，GSDMB過表達預示HER2靶向治療的低反應性[20]。因此，GSDMB可能成為一種新型的乳腺癌標志物，參與預后的評估。

GSDMC在正常結直腸組織中不表達，而在結直腸癌組織中高表達。Masashi Miguchi等研究發(fā)現，在結直腸癌中，TGFBR2常發(fā)生失活突變，導致GSDMC表達上調，誘導腫瘤細胞增殖，促進腫瘤發(fā)生。因此推斷GSDMC是一種癌基因，可能作為TGFBR2突變型結直腸癌治療的新靶點。然而，與正常胃及食管組織相比，GSDMC在胃癌及食管癌細胞中表達下調，可能發(fā)揮抑癌基因的功能。此外，GSDMC在正常上皮細胞中不表達，而在惡性黑色素瘤中表達，可能與細胞的侵襲和轉移潛能有關[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，肝細胞癌中GSDME的表達水平顯著低于正常細胞，上調GSDME表達后，細胞增殖受到抑制，因此GSDME可能是一種抑癌基因[22]。相對于炎性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GSDME的胃癌細胞中，5-FU可通過上調并激活caspase-3，從而切割GSDME來促進細胞焦亡[12]。此外，GSDME可影響化療藥物的敏感性及不良反應。Lage H等敲除惡性黑色素瘤細胞的GSDME后，細胞對依托泊苷的抗藥性增加，而上調GSDME的表達后，細胞對依托泊苷的敏感性增加。在胃癌、結直腸癌及乳腺癌等腫瘤細胞中，GSDME可因啟動子甲基化而表達下調，以DNA甲基化酶抑制劑地西他濱處理后，可誘導腫瘤細胞中GSDME表達上調，從而使腫瘤細胞對化療藥物更加敏感，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，化療藥物可通過GSDME介導的細胞焦亡殺死正常組織細胞，這可能是化療藥物產生不良反應的重要原因之一[12]。

3.4GSDM家族與神經系統(tǒng)疾病

研究發(fā)現，在不同的刺激下，神經元可通過經典炎癥小體信號通路激活caspase-1，后者切割GSDMD并進而促進IL-1β和IL-18等促炎性細胞因子的產生與釋放，從而誘導細胞焦亡[23，24]。在腦血管疾病，NLRP1及NLRP3炎癥小體可通過參與缺血性卒中的炎性反應，促進IL-1β等促炎因子的成熟與釋放，介導細胞凋亡與焦亡，從而造成神經元損傷并影響腦梗死的預后[25]。在阿茲海默病(AD)，患者大腦內NLRP1及NLRP3等炎癥小體相關蛋白的異常表達，β-淀粉樣蛋白及錯誤折疊蛋白質的堆積可激活炎癥小體NLRP1，后者通過caspase-1切割GSDMD，誘發(fā)細胞焦亡，引起神經元缺失，加重神經退行性病變[26]。動物實驗發(fā)現，抑制NLRP1/caspase-1的活性從而抑制GSDMD導致的神經元細胞焦亡，可有效減少神經元缺失，減少癲癇發(fā)作次數、推遲發(fā)作時間并降低發(fā)作嚴重程度[27]。

4 總結與展望

細胞焦亡是近年來發(fā)現的一種新的細胞程序性死亡方式，與炎癥反應、代謝性疾病、動脈粥樣硬化、神經系統(tǒng)疾病及腫瘤的發(fā)生密切相關。GSDM蛋白家族是介導細胞焦亡的一組重要蛋白，如何通過下調GSDMD來預防過度的炎癥反應，從而避免內毒素性休克仍需進一步研究。在對惡性腫瘤進行化學治療時，可根據GSDME表達水平選擇合適的化療藥物，誘導腫瘤細胞內GSDME表達上調，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，還應積極尋找GSDM家族其他蛋白與腫瘤的關系，為腫瘤的化學治療提供新的方向。因此，深入研究GSDM家族誘導細胞焦亡的機制，有助于認識該家族在疾病的發(fā)生、發(fā)展及轉歸中的作用，為疾病提供新的治療靶點。