高英 陳微楠 朱雪瓊

細胞死亡的方式主要分為兩大類，即程序性死亡和非程序性死亡，其中程序性死亡主要包括細胞凋亡、細胞焦亡及壞死性凋亡等；非程序性死亡主要包括細胞壞死等。細胞焦亡是一種由半胱天冬氨酸蛋白酶-1（Caspase-1）介導的程序性細胞死亡方式[1]，其特點是快速質(zhì)膜破裂，然后釋放細胞內(nèi)容物和IL等促炎物質(zhì)，引發(fā)炎癥級聯(lián)反應，進而造成細胞的損傷。細胞焦亡信號通路包括Caspase-1介導的經(jīng)典通路與Caspase-4、Caspase-5、Caspase-11介導的非經(jīng)典通路。在經(jīng)典通路中炎癥體的組裝促進Caspase-1的活化[2]；而在非經(jīng)典通路中細菌脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）促進 Caspase-4、5、11 的活化[3]，活化的 Caspase-1 或 Caspase-4、5、11 通過裂解消皮素D（Gasdermin D，GSDMD），使其生成N端和C端，GSDMD的N端與細胞膜磷脂結(jié)合，使細胞膜形成許多小孔，水分內(nèi)流，導致細胞腫脹，細胞膜發(fā)生破裂，細胞內(nèi)容物釋放，進而引起炎癥反應，使細胞發(fā)生焦亡。研究發(fā)現(xiàn)，細胞焦亡與癌癥的發(fā)生、發(fā)展關(guān)系密切[4]，對細胞焦亡與癌癥關(guān)系進行研究有助于了解癌癥的發(fā)生、發(fā)展機制，為癌癥的干預提供新的研究思路。本文就細胞焦亡的生物學機制及其在癌癥中的作用研究進展作一綜述。

1 細胞焦亡與細胞凋亡、壞死性凋亡的區(qū)別

1.1 細胞焦亡與細胞凋亡的區(qū)別 （1）兩者所涉及的半胱天冬氨酸蛋白酶（Caspase）不同：凋亡過程中涉及的半胱天冬氨酸蛋白酶主要包括與凋亡起始相關(guān)的Caspase-2、8、9、10 和與凋亡執(zhí)行相關(guān)的 Caspase-3、6、7[5]；焦亡過程中涉及的半胱天冬氨酸蛋白酶主要包括介導經(jīng)典途徑的Caspase-1和介導非經(jīng)典途徑的Caspase-4、Caspase-5、Caspase-11[6]。（2）是否涉及炎癥反應：細胞凋亡是程序性細胞死亡的一種高度可調(diào)節(jié)的途徑，半胱氨酸蛋白酶導致細胞基質(zhì)溶解，細胞核濃縮，DNA裂解和質(zhì)膜收縮，同時產(chǎn)生廣泛的質(zhì)膜泡和許多細胞凋亡體，但細胞質(zhì)內(nèi)容物不會在細胞外釋放，也不會在此過程中引發(fā)任何炎癥反應[7]；但焦亡的細胞核濃縮，細胞膜形成大量的小孔，水分內(nèi)流，導致細胞腫脹，細胞膜發(fā)生破裂，釋放內(nèi)容物，并引起炎性反應[8]。（3）細胞形態(tài)變化不同：細胞凋亡表現(xiàn)為細胞基質(zhì)溶解、染色質(zhì)濃縮、細胞核碎裂和凋亡小體的形成；而細胞焦亡表現(xiàn)為細胞DNA斷裂，細胞核濃縮，細胞膜破裂。

1.2 細胞焦亡與壞死性凋亡的區(qū)別 （1）介導質(zhì)膜破裂的機制不同：在壞死性細胞凋亡過程中，質(zhì)膜破裂是由受體相互作用蛋白（receptor-interacting protein，RIP）1、RIP3和混合譜系激酶結(jié)構(gòu)域樣蛋白（mixed lineage kinase domain-like protein，MLKL）介導的[9]；而在細胞焦亡過程中，質(zhì)膜破裂依賴于非選擇性的GSDMD孔[10]。（2）細胞形態(tài)變化不同：壞死性凋亡主要由于細胞和細胞器腫脹，最終導致質(zhì)膜完整性喪失；而細胞焦亡的特點是細胞膜形成微小孔隙，水分內(nèi)流，細胞腫脹，進而導致細胞膜破裂[11]。

2 細胞焦亡的生物學機制

2.1 細胞焦亡的經(jīng)典通路

2.1.1 炎癥體的組裝 炎癥體的組裝是細胞焦亡經(jīng)典通路的起始步驟，炎癥體是炎癥發(fā)生所必需的細胞質(zhì)內(nèi)大分子蛋白復合體，能夠識別細菌、病毒等危險信號分子。炎癥體主要由模式識別受體（pattern recognition receptors，PRRs）、凋亡相關(guān)斑點樣蛋白（apoptosis-associated-speck-like protein，ASC）及半胱氨酸蛋白酶-1前體（pro-caspase-1）組成[12]。其中PRRs是負責識別細胞內(nèi)不同信號刺激的受體蛋白，其主要由核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein，NLRP）1、NLRP3、核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白C4（nucleotide-bindingoligomerization domain-like receptor protein C4，NLRC4）、黑色素瘤缺乏因子 2（absent in melanoma 2，AIM2）等組成[13]。ASC是一種銜接蛋白，主要由N端的熱蛋白結(jié)構(gòu)域（pyrin domain，PYD）、C端的半胱天冬酶募集結(jié)構(gòu)域（caspase activation and recruitment domain，CARD）組成[14]。pro-caspase-1是效應分子，其被活化后能夠特異性地切割GSDMD。危險信號傳感器NLR1、NLRP3或AIM2識別危險信號分子后，通過其N端的PYD結(jié)構(gòu)域與銜接蛋白N端的PYD結(jié)構(gòu)域結(jié)合，ASC再通過CARDCARD結(jié)構(gòu)域的相互作用募集Caspase-1，完成炎癥體的組裝[15]。

2.1.2 Caspase-1的活化及其功能 炎癥體的作用是活化效應分子pro-caspase-1，使其形成具有活性的Caspase-1?；罨腃aspase-1能夠特異性地切割GSDMD，使其生成N端和C端，GSDMD的N端與細胞膜磷脂結(jié)合，使細胞膜形成許多小孔[16]，細胞完整性遭到破壞，水分內(nèi)流，導致細胞腫脹、破裂，釋放細胞內(nèi)炎性物質(zhì)，誘導細胞焦亡的發(fā)生；除此之外，Caspase-1還可以促進IL-18、IL-1β前體的成熟，使之裂解為具有活性的IL-18、IL-1β[17]，并通過細胞膜孔分泌至細胞外，募集更多的炎癥細胞，引起炎癥瀑布反應。這種由Caspase-1介導的細胞死亡方式稱為細胞焦亡的經(jīng)典通路。

2.2 細胞焦亡的非經(jīng)典通路 細胞焦亡的非經(jīng)典通路主要由Caspase-4、Caspase-5和Caspase-11介導。細胞受到細菌LPS的刺激后，Caspase-4、5、11直接與細菌LPS結(jié)合并被激活[18]?；罨腃aspase-4、5、11特異性切割GSDMD，解除了對GSDMD-N結(jié)構(gòu)域的分子內(nèi)抑制[19]，GSDMD-N端與細胞膜磷脂結(jié)合引起細胞膜孔形成、細胞腫脹、破裂，誘導細胞焦亡；GSDMD-N端還可以通過激活NLRP3炎癥體，進而活化Caspase-1[20]，活化的Caspase-1刺激IL-18、IL-1β前體的成熟，并將IL-18、IL-1β分泌至細胞外，擴大炎癥反應。Yang等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在依賴Caspase-11的非經(jīng)典通路中，縫隙連接蛋白-1（Pannexin-1）能夠發(fā)生裂解，Pannexin-1裂解可以激活自身通道并釋放ATP，誘導細胞焦亡的發(fā)生。Lamkanfi等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在依賴Caspase-11的非經(jīng)典通路中，Pannexin-1裂解還可以通過激活NLRP3炎癥體，進而活化Caspase-1，誘導細胞焦亡的發(fā)生。

3 細胞焦亡在癌癥中的作用研究

3.1 細胞焦亡在乳腺癌中的作用研究 Jiao等[23]研究了人臍帶間充質(zhì)干細胞的分泌因子對乳腺癌細胞系MCF-7的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)暴露于人臍帶間充質(zhì)干細胞分泌因子的MCF-7細胞可通過分泌IL-1β誘導細胞發(fā)生焦亡，從而引起MCF-7細胞死亡，表明人臍帶間充質(zhì)干細胞的分泌因子可以通過細胞焦亡途徑導致MCF-7細胞死亡。維甲酸誘導基因I（Retinoic Acid Inducible Gene I，RIG-I）是一種模式識別受體，在識別RNA病毒中起關(guān)鍵作用。Elion等[24]研究了RIG-I介導的先天免疫反應在乳腺癌細胞中的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)乳腺癌細胞中的RIG-I活化導致乳腺癌細胞死亡，部分原因是由于細胞焦亡的激活誘導炎性細胞因子，白細胞募集趨化因子的表達以及主要組織相容性Ⅰ組分的表達增加有關(guān)。

3.2 細胞焦亡在肝癌中的作用研究 Chen等[25]報道，印度黃酮（Euxanthone）能夠顯著抑制肝癌細胞的增殖、遷移和侵襲，并誘導細胞死亡，其機制與印度黃酮能夠激活Caspase-1依賴的細胞焦亡信號轉(zhuǎn)導通路有關(guān)。NLRP3炎癥體可促進Caspase-1的活化，活化的Caspase-1誘導細胞焦亡。Wei等[26]研究了NLRP3炎癥體在肝癌組織和相應的癌旁組織中的表達，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與癌旁組織相比，肝癌組織中NLRP3炎癥體的表達顯著降低，且NLRP3炎癥體的表達水平與肝癌臨床分期和病理分級呈負相關(guān)，表明NLRP3炎癥體表達可抑制肝細胞癌的疾病進展。

3.3 細胞焦亡在肺癌中的作用研究 Wang等[27]研究發(fā)現(xiàn)，NLRP3炎癥體的激活能夠促進肺腺癌A549細胞的增殖和遷移，其機制與NLRP3炎性體能夠通過Caspase-1依賴性或非依賴性途徑介導IL-18和IL-1β的釋放有關(guān)，阻斷IL-18或IL-1β信號傳導減輕了NLRP3炎性體對肺腺癌A549細胞增殖和遷移的影響，表明NLRP3炎性體通過促進IL-18和IL-1β的釋放，進而促進肺腺癌的進展。Gao等[28]研究了GSDMD在非小細胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）中的生物學功能，發(fā)現(xiàn)與癌旁組織相比，肺癌組織中GSDMD蛋白表達水平顯著上調(diào)，且GSDMD表達與腫瘤大小和臨床TNM分期呈正相關(guān)，表明GSDMD表達上調(diào)參與了非小細胞肺癌的病情進展。Wang等[29]報道，抗高血脂藥物辛伐他汀能夠抑制非小細胞肺癌的增殖和遷移，其機制與辛伐他汀能夠激活NLRP3炎癥體、Caspase-1、IL-1β和IL-18，從而誘導非小細胞肺癌的細胞焦亡有關(guān)，Caspase-1抑制劑Ac-YVAD-CMK能夠減弱辛伐他汀對非小細胞肺癌的抑制作用。

3.4 細胞焦亡在其他癌癥中的作用研究 Li等[30]探討了長鏈非編碼RNA生長停滯特異性轉(zhuǎn)錄物5（long noncoding RNA growth arrest-specific transcript 5，lncRNA GAS5）與卵巢癌的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，lncRNA GAS5外源性過表達抑制卵巢癌細胞的增殖和集落形成并促進細胞凋亡。除此之外，LncRNA GAS5還可以通過誘導炎性體形成和細胞焦亡來抑制卵巢癌。

Wang等[31]研究發(fā)現(xiàn)，GSDMD在胃癌中表達降低，GSDMD表達下調(diào)后細胞外信號調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal regulated kinase，ERK）、信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄激活因子 3（activator of transcription 3，STAT3）和磷脂酰肌醇 3激酶（phosphatidylinositol 3 kinase，PI3K）/蛋白激酶 B（protein kinase B）信號通路被激活，并調(diào)節(jié)細胞周期相關(guān)蛋白的表達來加速細胞S/G2期轉(zhuǎn)換，促進胃癌細胞增殖，表明GSDMD具有抑制胃癌進展的作用。

然而，Zhai等[32]報道卻發(fā)現(xiàn)敲低人轉(zhuǎn)移性黑色素瘤細胞系1205Lu和HS294T中的NLRP1炎癥體能夠抑制黑色素瘤生長，其機制與NLRP1炎癥體表達下調(diào)降低了Caspase-1活性、NF-κB活性及IL-1β的產(chǎn)生和分泌有關(guān)，表明NLRP1炎癥體能夠通過增加Caspase-1活性、促進IL-1β的分泌，進而促進黑色素瘤的生長。

NALP1炎癥體是模式識別受體的組成成分，模式識別受體參與炎癥體的組裝。Chen等[33]使用組織微陣列、蛋白質(zhì)印跡和定量實時PCR檢測人正常和結(jié)腸癌組織中NALP1炎癥體的表達，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與正常結(jié)腸組織相比，NALP1炎癥體在結(jié)腸癌組織中表達較低，并且與患者的較低存活率和腫瘤轉(zhuǎn)移相關(guān)，表明NALP1炎癥體能夠抑制結(jié)腸癌的轉(zhuǎn)移和進展。

4 小結(jié)

細胞焦亡是一種由Caspase-1介導的程序性細胞死亡方式，其信號轉(zhuǎn)導通路包括Caspase-1介導的經(jīng)典通路和Caspase-4、5、11介導的非經(jīng)典通路。細胞焦亡與癌癥的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。在乳腺癌、肝癌、卵巢癌、胃癌以及結(jié)腸癌中，細胞焦亡抑制癌癥的進展，而在黑色素瘤中，細胞焦亡促進癌癥的進展。在肺癌中，NLRP3炎癥體參與的細胞焦亡促進肺腺癌的進展，但抑制非小細胞肺癌的進展，而GSDMD參與的細胞焦亡卻促進非小細胞肺癌的進展。因此，深入研究細胞焦亡與癌癥的關(guān)系，將為癌癥的防治提供新的研究思路。