细胞焦亡一种新的细胞死亡方式

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213

综述

细胞焦亡:一种新的细胞死亡方式

林静李大主

【摘要】

细胞焦亡是近年来发现并证实的一种新的程序性细胞死亡方式,其特征为依赖于半胱天

冬酶.1(easpase.1),并伴有大量促炎症因子的释放。细胞焦亡的形态学特征、发生及调控机制等均不同于凋亡、坏死等其他细胞死亡方式。研究表明,细胞焦亡广泛参与感染性疾病、神经系统相关疾病和动脉粥样硬化性疾病等的发生发展,并发挥重要作用。对细胞焦亡的深入研究有助于认识其在相关疾病发生发展和转归中的作用,为临床防治提供新思路。

【关键词】程序性细胞死亡;细胞焦亡;半胱天冬酶-1

Pyroptosis:aeaspase-1-dependentceHdeath

nionHospital,Wuhan430022,ChinaCorresponding

LIN

Jing‘,LIDa—zhu.

’Institute

ofCardiology,Wuhan

U-

author:LIDa-zhu,E-mall:hdazhuhp@sohu.corn

is

【Abstract】Pyroptosis

tionandleadschemical

to

new

formofprogrammedcelldeath,whichisdependent

on

caspase-1activa-

thereleaseofpro—inflammatorycytokines.Themolecularmechanisms,morphological

ofthis

and

bio-

properties

form

ofcelldeath

fire

distinctfromnecrosis

or

apeptosis.Studieshave

shownthatpy-

roptosisplaysa

significantroleinvarietyof

disease,such嬲infection,nervoussystemdiseaseandatheroscle-

not

rosis.BetterunderstandingofpyroptosiswilltIledevelopmentof

new

onlygiveinsightintodiseasepathogenesis.but

caIl

alsoleadto

therapeuticstrategiesfortreatmentofthesecelldeath—relateddiseases.

celldeath;Pyroptosis;Caspase一1

【Keywords】Programmed

细胞死亡是贯穿于所有生命活动的一种现象,在机体新陈代谢的生理过程和病理过程中均有重要作用,充分认识细胞死亡的现象和本质具有十分重要的生物学意义。早期,由于研究技术的限制,人们

细胞程序性死亡(programmed

cell

death,PCD)是细

胞受内外环境因素影响所产生的由基因调控的主动性细胞死亡,1965年,由Lockshin等旧1提出后,一直未予重视和深入研究。“凋亡”是1972年Kerr等旧J在研究中观察到的不同于经典坏死的一种细胞死亡方式,其概念提出后,细胞凋亡成为一大研究热点,迄今为止成为研究最深入的细胞死亡方式之一。上个世纪末,人们一直将凋亡等同于细胞程序性死亡。近年来大量研究表明,凋亡只是细胞程序性死亡的一种,程序性细胞死亡还包括胀亡、自噬以及焦亡。细胞焦亡是近年来在弗氏志贺氏杆菌感染的巨噬细胞中发现,并证实的一种新的程序性细胞死亡方式,此种细胞死-L--h-式依赖于半胱天冬酶一1(caspa..qe一1),并伴有大量促炎症因子的释放。早在1992年,zy—chlinsky等Ho发现弗氏志贺氏杆菌可以诱导巨噬细胞发生程序性死亡,由于最初对于程序性死亡的认识仅限于凋亡,研究者认为弗氏志贺氏杆菌诱导的此种程序性死亡方式是凋亡。研究表明这种死亡方式由caspase.1介导,并非由传统的凋亡反应分子caspase-3介导,提示这是不同于凋亡的一种程序性细胞死亡方式。无论从药理学还是基因学角度的研

对细胞死亡的认识仅限于细胞形态学的变化。上世

纪末人们认为细胞有两种死亡方式,即凋亡和坏死。近年来,随着分子生物技术的不断发展,胀亡、自噬、焦亡等新的细胞死亡方式被相继报道,证实并命名。对细胞焦亡(pyroptosis)的形态学特征、生化改变、发生机制、分子调控及相关疾病的初步研究进展,有助于加深对细胞死亡的认识和理解。1细胞焦亡命名的由来

2001年,Cookson等…首次使用“Pyroptosis”来形容在巨噬细胞中发现Caspase一1依赖的细胞死亡方式。人们对细胞死亡的认识是一个漫长的过程。

DOI:10.3760/ema.j.issn.1673-4394.2011.03.013

作者单位:430022武汉,湖北省武汉市协和医院心内科(林静,博士研究生);华中科技大学同济医学院协和医院心内科(李大主)

通信作者:李大主,E—mail:lidazhuhp@sohu.咖万方数据

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究均证实弗氏志贺氏杆菌诱导的巨噬细胞程序性死亡方式为caspase-1介导,easpase-1的特异性阻断剂Ac.YVAD.CHO可以阻止弗氏志贺氏杆菌诱导的巨噬细胞快速死亡,caspase-1基因敲除的巨噬细胞能够抵抗弗氏志贺氏杆菌所诱导的细胞死亡[4引。相反,caspase-3特异性阻断剂以及caspase-3基因敲除的巨噬细胞则无此能力∞o。1999年,研究发现在沙门氏杆菌感染的巨噬细胞中也存在easpase.1依赖的细胞程序性死亡方式,伴有大量促炎因子的激活,不伴随caspase-3、c私p鸽e一6和easpase-7的激活一J。

迄今为止,已经证实弗氏志贺氏杆菌、沙门氏杆菌、李斯特杆菌、绿脓杆菌、弗朗西斯氏菌属、嗜肺性军团杆菌以及叶尔森杆菌均可诱导巨噬细胞产生caspase.1依赖的细胞死亡方式旧j。研究发现。caspase-1依赖的细胞死亡方式不仅存在于单核巨噬细胞系,还存在于树突状细胞等其他细胞中L9J。诱导细胞产生caspase一1依赖细胞死亡的刺激原也不仅局限于病原体,一些非生物性的刺激源,如损伤相关模式分子(danger/damageassociatedmolecular

pattern,DAMP)、缺血坏死的产物等也可诱导细胞

caspase一1依赖的细胞死亡¨0。¨J。2细胞焦亡的形态学特征

坏死是细胞死亡方式之一,其特征包括核碎裂、核溶解;细胞膜渗透性增高,细胞肿胀、破裂;胞质及内容物外泄,引起炎症反应。凋亡是一种在基因调控下的细胞主动死亡过程,其形态学特征为细胞皱缩,与邻近细胞分离;核染色质固缩集聚至在核膜下,随后核酸内切酶被激活并导致染色体DNA降解为约180

bp一200

bp片段,脱氧核苷酸末端转移

酶介导的dUTP缺口末端标记(terminal

oxynucleoti—

dyltransferasemediateddUTPbiotinnickendlabe

ling,TUNEL)染色阳性;胞浆浓缩;胞膜内陷将细胞分割成多个凋亡小体(apoptoticbodies),最终被巨噬细胞获邻近细胞所吞噬。由于胞质成分不外溢,故凋亡的一大特征是不引起周围组织的炎症反应【10|。研究表明,焦亡细胞在形态上同时具有凋亡和坏死的特征。与凋亡的形态学相似,焦亡细胞细胞表现为细胞核浓缩,染色质DNA断裂以及TUNEL染色阳性i早期在弗氏志贺氏杆菌和沙门氏杆菌感染所导致的细胞死亡研究中,由于其细胞表现TUNEL染色阳性【6’10|,因此研究者认为弗氏志贺氏杆菌和沙门氏杆菌感染的细胞死亡为凋亡。但与凋亡不同,细胞焦亡细胞膜完整性丧失后胞内容

万方数据

物释放,诱发炎症反应。研究表明细胞发生焦亡时细胞膜有1-2am的dq:L形成,正是这些4,;/L使细胞内的离子平衡丧失,水分内流,细胞肿胀继而膜破

裂,细胞发生渗透性溶解‘8川。

3细胞焦亡的分子机制

3.1

c鹊pase.1与细胞焦亡

Caspase家族是一组同源性很高、结构相似的蛋

白酶。根据caspase的结构和功能的不同可分为两大类,第一类为凋亡相关caspase,包括caspase-2、

caspase-8、caspase-9、easpase-10、caspase-3、easpase一6

和caspase-7,其中caspaseD被认为是细胞凋亡的执行者,可在其他caspase的调控下激活,裂解细胞内主要的蛋白质并诱发DNA降解,导致细胞死亡。研究表明凋亡相关caspase以及凋亡相关caspase的底物,包括ADP、caspase依赖的脱氧核糖核酸酶抑制物(inhibitor

ofcaspase-activateddeoxyrmonuele.ase.

ICAD)不参与细胞焦亡【11‘。第二类为炎症相关caspase,包括

caspase-1、

easpase-4、c鹊p鹊e-5、

caspase 11、caspase一12、caspase-1

3和caspase一14。主

要参与细胞因子介导炎症反应lJ纠。Caspase—I不参与凋亡途径,caspase一1基因敲除小鼠凋亡形成不受影响‘1

2l。

细胞焦亡的生物学特征是依赖于caspase一1的细胞死亡方式,故caspase一1对细胞焦亡的形成起决定性作用。Caspase l又称IL-113转化酶(IL一18

coverating

enzyme,ICE),初合成的caspase-1不具有

活性,相对分子质量为45000,包含3个结构域,NH:末端CARD结构域、20000的大亚基和10

000

的小亚基,随后caspase l前体在细胞质内自动加工形成异源二聚体,并进而形成具有活性的四聚体Caspase-1【l引。Caspase 1的重要功能之一是将无活性的IL.113前体和将IL一18前体裂解为具有活性的

IL一1

B和IL一18。IL-1B和IL一18能募集、激活其他免

疫细胞,诱导其它炎症细胞因子(如IL-6)、趋化因子、黏附分子等的合成,放大局部和全身炎症反应¨3|。Caspase一1的另一重要功能是介导细胞焦亡。细胞膜完整性的丧失,胞内容物的释放,诱发炎症反应是细胞焦亡不同于凋亡的一大特征,研究发现,细胞焦亡上述形态学特征是由easpase.1介导的。沙门氏杆菌感染或炭疽杆菌内毒素作用会使细胞膜出现直径1.1—2.4am的4,:fL,而用caspase.1特异性阻断剂能抑制此种4,:fL形成。/b?L使细胞内的离子平衡丧失,水分内流,细胞肿胀继而膜破裂,

细胞发生渗透性溶解,细胞内IL 1B和IL.18等活性物质释放,募集、激活免疫细胞,诱导促炎因子产生,炎症发生【12,141。染色体DNA降解是凋亡的重要标志。研究表明,细胞焦亡同样也存在染色体DNA降解,细胞焦亡的DNA降解是由easpase-1激活的一种未知的核苷酸内切酶所介导的,其所降解产物也不同于凋亡DNA降解产物¨引。上述细胞焦亡中细胞膜溶解以及染色质DNA降解都依赖于caspase一1的激活。骨架蛋白的降解也参与了细胞焦亡的形成,但降解的确切机制以及在细胞焦亡形成中的作用尚不清楚,推测与caspase 1对底物的处理和加工有关旧J。研究提示,对caspase一1功能和底物的研究可能有助于我们更深入地了解细胞焦亡的机制。

炎性小体和焦亡小体之争

研究表明,Caspase.1的活化受到胞内多蛋白复

合物炎性小体(infammasome)的调控Ll0|。复合物炎性小体是由含NACHT、LRR和PYD结构域的蛋白(NACI-IT。LRR

andPYDcontaining

proteins,NEro')、凋

亡相关点样蛋白(apoptosis—associated

speck-likepro-

teincontaining

CARD。ASC)和easpase-1构成的多

蛋白复合物¨5|。根据NALPs的不同,可将炎性体分为4种:Nalp—l、Nalp-3、Nalp-5以及Ipaf。NALPs是胞质内的病原体相关模式识别受体,在刺激信号作用下,NLRs暴露出效应结构域,通过CARD.CARD或PYD-PYD同型相互作用,NLRs间接通过ASC或直接募集、激活caspase一1。研究发现,细胞穿孔素、细胞外ATP、尿酸盐结晶、病毒相关DNA、RNA、紫外线、硅等刺激信号可作用于Nalp-3激活easpase.1;细胞外的病原体,例如假单胞菌、细胞内的病原体(沙门氏杆菌、李斯特杆菌、志贺氏杆菌、军团杆菌)可作用于Ipaf激活easpase-1;炭疽致死毒素可通过Nalp.1激活caspase.1,而在军团杆菌感染所导致的caspase—l还需要Nalp-5的参与【l¨川。炎性小体在沙门氏杆菌、炭疽致死毒素感染的细胞中可观察到,显微镜还可观察到激活的caspase一1分布于单个独立的蛋白复合体内【14.I¨7|。

ASC是连接NLRs和caspase一1的衔接分子。有研究指出ASC在体外不依赖于NLRs的情况下可自我聚集形成ASC二聚体,激活easpase一1,导致细胞

发生焦亡,因此提出“焦亡小体(pyroptosome)”的概

念,其本质是ASC二聚体[18l。上述研究尚未在体内得到证实,但由此可见caspase一1激活的调控远比人们想象的复杂,对其调控机制的研究迫在眉睫。

万方数据

215

4细胞焦亡一疾病

细胞焦亡是近年来发现的一种新的细胞死亡方式,其生物学特征是细胞死亡依赖于caspase.1的激活,因此细胞焦亡与临床各种疾病的关系建立在easpase一1与临床各种疾病的研究之上。研究表明,Caspase一1广泛参与了感染性疾病、神经系统疾病和动脉粥样硬化性疾病等的发生发展,并在其中发挥了重要作用。4.1感染性疾病

细胞焦亡与各种感染性疾病关系密切。弗氏志贺氏杆菌、李斯特杆菌、绿脓杆菌、弗朗西斯氏菌属、嗜肺性军团杆菌以及耶尔森杆菌均证实可诱导细胞发生细胞焦亡”’16。7|。细胞焦亡在感染过程中诱导损伤细胞的死亡,这有利于宿主有效地清除致病微生物,限制细菌的生长,在病原体感染时有效地保护机体。但细胞焦亡对机体也有有害的一面,细胞焦亡在导致细胞死亡的同时激发炎症反应,诱导IL-18,IL一18的释放、细胞质的外泄、募集,激活其他免疫细胞向感染部位聚集,诱导其他炎症细胞浸润,促炎细胞因子释放,是发热,低血压,内毒素血症等病理过程产生的基础旧J。4.2神经系统疾病

脑缺血、脑损伤、帕金森氏症、老年痴呆、亨廷顿症、中枢系统感染等多种神经系统疾病均涉及caspase一1的过度激活。IL一113和IL—18表达水平增加,而且这些疾病也表现为细胞死亡和炎症反应发生【191。Caspase-1特异性阻断剂显示对肌萎缩性脊髓侧索硬化症、亨廷顿症、脑缺血性损伤有明确的保护作用,因此caspase—l已成为治疗神经系统性疾病的重要靶点,对于细胞焦亡的进一步研究可加深我们对这些疾病的了解和防治。4.3动脉粥样硬化

以往研究表明,细胞死亡与动脉粥样硬化(AS)的发生发展以及动脉粥样硬化斑块的稳定性密切相关,AS的危险因素氧化型低密度脂蛋白(oxidized

lowdensity

lipoprotein,oxLDL)、吸烟,CRP等均能导

致细胞发生死亡。最近研究发现细胞焦亡与AS也密切相关。ox—LDL诱导的巨噬细胞死亡一直被认为是凋亡,但最近发现该种细胞死亡并不依赖与凋亡关键执行者caspase-3【13|。细胞焦亡的重要功能分子NLRF3、ASC以及easpase-1均与AS的发生发

展密切相关‘抛2|。Duewell等Ⅲ1发现与野生型小鼠

比较,NLRP3基因敲除小鼠AS斑块形成显著减少。

3.2

216

国匾鱼瘥堂丞壶婴!!生§旦筮丝鲞筮!塑丛』!婴!!!!,丛型:垫!!,!!!:丝:奠!:兰

Laufer等∞1观察到急性冠脉综合征患者的不稳定斑块中不仅有大量巨噬细胞浸润、TUNEL染色阳

性,而且斑块中caspase.1表达显著增加,同时caspase一3表达甚少。研究提示细胞焦亡可能在AS的发生发展,斑块的稳定性中发挥重要的作用,但具体机制以及作用有待进一步阐明。5结语

细胞焦亡是近年来发现的一种新的细胞死亡方式,其特征为依赖于caspase.1,伴随炎症反应的发生。各种刺激信号通过不同途径激活caspase-1,caspase一1继而作用于其底物导致细胞渗透性肿胀,胞内物质流出,IL一1B、IL一18前体裂解、释放促炎因子是细胞焦亡发生的机制。作为一种伴随炎症反应的细胞死亡方式,细胞焦亡的意义并不亚于凋亡,在某些病理过程中,细胞焦亡甚至比凋亡更具实际意义。目前,较之于凋亡这一迄今为止研究最为深入的细胞死亡方式,随着对细胞焦亡的认识和研究刚刚起步,无论是在细胞焦亡的发生机制与调控机制,还是在细胞焦亡的检测技术方面都将需要更多更细致的研究。

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(收稿日期:20104)9419)

细胞焦亡:一种新的细胞死亡方式

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):

林静, 李大主, LIN Jing, LI Da-zhu

林静,LIN Jing(湖北省武汉市协和医院心内科,武汉,430022), 李大主,LI Da-zhu(华中科技大学同济医学院协和医院心内科)国际免疫学杂志

INTERNATIONAL JOURNAL OF IMMUNOLOGY2011,34(3)

本文链接:/Periodical_gwyx-myxfc201103013.aspx

本文来源:https://www.bwwdw.com/article/syb4.html

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