pyroptosis，即細(xì)胞焦亡，又稱炎癥程序性細(xì)胞死亡。小伙伴們可能要說(shuō)了，“wow~字都認(rèn)識(shí)，話是真沒(méi)聽懂”。
首先呢，它是一種細(xì)胞程序性死亡 (programmed cell death, pcd)，即細(xì)胞接受某種信號(hào)或受到某些因素刺激后，為了維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，按照預(yù)定的程序發(fā)生的一種主動(dòng)性消亡過(guò)程。也就是說(shuō)，這是自愿的高尚犧牲！程序性細(xì)胞死亡主要包括：程序性壞死（necroptosis）、凋亡（apoptosis)、細(xì)胞焦亡（pyroptosis）和鐵死亡（ferroptosis）等。感興趣的小伙伴可以參考小 m 往期的細(xì)胞死亡相關(guān)推文，此處就不再贅敘。其次，細(xì)胞焦亡是一種炎癥形式，其由促炎信號(hào)觸發(fā)并與炎癥相關(guān)[1]，可經(jīng)微生物感染或宿主因素引發(fā)，最常在細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌或病原體感染時(shí)發(fā)生[2]。它是由炎癥小體的活化及炎癥性半胱天冬酶 (caspases) 的激活引起的（炎癥小體往期回顧：炎癥小體：免疫炎癥領(lǐng)域熱門選手）。細(xì)胞焦亡會(huì)發(fā)生細(xì)胞腫脹、細(xì)胞膜起泡等細(xì)胞溶解現(xiàn)象（類似壞死），涉及多種以炎癥和細(xì)胞死亡為特征的疾病，包括自身炎癥綜合征、神經(jīng)退行性疾病、炎癥性腸病和腦缺血等。
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圖 1. 細(xì)胞焦亡與其他細(xì)胞程序性死亡的特征[3]。 ? 細(xì)胞焦亡過(guò)程[4]：細(xì)胞焦亡與細(xì)胞凋亡和細(xì)胞壞死不同，它是由炎癥小體的活化及炎癥性半胱天冬酶的激活引起的，通常與感染、疾病和免疫反應(yīng)有關(guān)。細(xì)胞焦亡的過(guò)程涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，如病原體感染、炎性小體的形成與活化等[4]。
圖 2. 細(xì)胞焦亡概述[5]。 如下所述 (上下滑動(dòng)查看更多）1. 病原體感染：病原體進(jìn)入宿主細(xì)胞，被宿主細(xì)胞的模式識(shí)別受體 (prrs) 識(shí)別，如 toll 樣受體 (tlrs)、nod 樣受體 (nlrs) 和 rig-i 樣受體 (rlrs) 等。2. 炎癥小體形成：識(shí)別到病原體的細(xì)胞會(huì)激活炎性小體。典型的炎性小體包括 nlrp3、asc 和 caspase-1。激活后的 nlrp3 與 asc 結(jié)合，繼而招募 caspase-1，形成炎性小體。3. caspase 蛋白活化：炎性小體的形成將導(dǎo)致 caspase-1 的活化。活化的 caspase-1 能夠切割并激活一系列底物，如炎癥性細(xì)胞因子前體 (如 pro-il-1β 和 pro-il-18) 和 gasdermin d。4. gasdermin d 活化：活化的 caspase-1 切割 gasdermin d，產(chǎn)生 n 端和 c 端兩個(gè)片段。其中活性的 n 末端片段可以穿透細(xì)胞膜，形成孔道。細(xì)胞膜孔道的形成導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)液體和離子的快速流動(dòng)，使細(xì)胞發(fā)生腫脹。5. 細(xì)胞膜破裂與炎癥：膜孔道的形成會(huì)致使細(xì)胞破裂。在這個(gè)過(guò)程中，細(xì)胞被迫吸收外界離子和水分，同時(shí)向外釋放細(xì)胞內(nèi)容物，如炎癥因子 il-1β 和 il-18。這些炎癥因子將進(jìn)一步引發(fā)免疫系統(tǒng)的炎癥反應(yīng)。6. 細(xì)胞碎片及清理：聚集在焦亡細(xì)胞附近的周圍的巨噬細(xì)胞會(huì)清理最后的戰(zhàn)場(chǎng)，清除細(xì)胞碎片，幫助減輕炎癥反應(yīng)。細(xì)胞焦亡主要依靠炎癥小體激活 caspase 家族蛋白引起各種生理反應(yīng)[6]。而炎癥小體通常由傳感器蛋白、銜接蛋白 (asc)、以及無(wú)活性的 caspase 蛋白前體組成。這種復(fù)合物觸發(fā)的焦亡可分為 caspase-1 激活的經(jīng)典途徑或 caspase-11/4/5 激活的非經(jīng)典途徑[7]。
? 經(jīng)典焦亡：caspsae-1[4][8][9]：
caspase-1 是焦亡過(guò)程中最重要的 caspases 家族成員，通過(guò)集結(jié)響應(yīng)不同刺激的炎性傳感因子，構(gòu)建出了專屬 caspase-1 經(jīng)典通路戰(zhàn)艦群：nlrp3 炎性體、aim2 炎性體、nlrp1 炎性體、pyrin 炎性體，以及 nlrc4 炎性體。這些炎癥小體可介導(dǎo)底物 gasdermin d (gsdmd) 或炎癥因子前體 (如 pro-il-1β 和 pro-il-18) 的裂解，打通膜孔道，而這類變化將導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂，細(xì)胞釋放炎癥因子，引發(fā)炎癥反應(yīng)，激發(fā)焦亡[8]。
圖 3. caspase-1 激活的經(jīng)典途徑[9]。
? 非經(jīng)典焦亡：caspase-11/4/5[6][10]：
比起規(guī)模龐大，訓(xùn)練有素的 caspase-1 戰(zhàn)隊(duì)，caspase-11/4/5 更像伺機(jī)而動(dòng)的偵察兵。它們可以直接識(shí)別病原體的脂多糖 (lps)，從而通過(guò)非炎性小體途徑激活焦亡過(guò)程。當(dāng) caspase-11/4/5 與 lps 結(jié)合時(shí)，可直接切割 gsdmd，產(chǎn)生活性 n 末端片段，形成細(xì)胞膜孔道，導(dǎo)致焦亡。
圖 4. caspase-11/4/5 激活的非經(jīng)典途徑[9]。
在一些關(guān)鍵時(shí)刻，caspase-4/11 在肺動(dòng)脈高壓 (pah) 動(dòng)物模型和 tnf-α 誘導(dǎo)的人肺動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞中被激活?；罨?caspase-4/11 還能夠剪切 caspase-3 前體，使其活化。被激活的 caspase-3 在隨后裂解 gasdermin e (gsdme)，造成細(xì)胞膜穿孔，進(jìn)一步推動(dòng)焦亡。而 caspase-5 在某些情況下可以參與炎性小體的組裝和激活，發(fā)揮類似類似 caspase-1 的作用進(jìn)而影響焦亡途徑。
? caspase-3 引發(fā)的細(xì)胞焦亡[11]：
在上一個(gè)單元故事中早早露面的 caspase-3 并不神秘。它主要與細(xì)胞凋亡過(guò)程有關(guān)，而近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)了 caspase-3 的另一個(gè)作用，它可以位于 gsdme 的上游，在焦亡中發(fā)揮炎癥切割作用[12]。
圖 5. caspase-3 細(xì)胞凋亡以及 caspase-3/gsdme 介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡途徑[12]。
在病毒感染的背景下，caspase-3 被激活并間接促使 gsdme 的切割。gsdme 被剪切為 n 端和 c 端兩個(gè)片段，其中 gsdme-n 端片段在細(xì)胞膜上形成孔道，導(dǎo)致離子和水分進(jìn)入細(xì)胞，使細(xì)胞膜破裂。在一些情況下，活化的 caspase-1 導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)線粒體損傷后，也會(huì)誘發(fā) caspase-3 的激活，推動(dòng)焦亡。
? caspase-6/8/9與細(xì)胞焦亡：
caspase-6、caspase-8 和 caspase-9 的不同調(diào)節(jié)也會(huì)影響焦亡途徑。小 m 為大家整理在下面啦~
圖 6. caspase-6/8/9 對(duì)細(xì)胞焦亡的影響。
細(xì)胞焦亡如何檢測(cè)呢？下面小 m 以文獻(xiàn)為例為大家介紹幾種常用的細(xì)胞焦亡檢測(cè)方法~
近期發(fā)表的文獻(xiàn) mannose antagonizes gsdme-mediated pyroptosis through ampk activated by metabolite glcnac-6p 表明，cccp (carbonyl cyanide m-chlorophenyl hydrazine) 加鐵可誘導(dǎo)黑色素瘤細(xì)胞中 gsdme 依賴性細(xì)胞焦亡，而甘露糖可逆轉(zhuǎn)不同癌細(xì)胞系中 gsdme 介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡[17]。
作者使用甘露糖預(yù)處理不同的癌細(xì)胞系，然后用不同的誘導(dǎo)劑處理 24 小時(shí)，檢測(cè)評(píng)估了焦亡的發(fā)生：包括特征形態(tài)、gsdme 裂解和 ldh 釋放。
? 形態(tài)觀察：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)胞狀態(tài)和細(xì)胞死亡，分辨焦亡引起的細(xì)胞形態(tài)變化，如細(xì)胞質(zhì)腫脹和膜破裂等。
圖 7. 焦亡細(xì)胞的形態(tài)變化 (紅色箭頭表示焦亡細(xì)胞)[17]。
? caspase、gasdermins 蛋白的裂解[17]：
細(xì)胞焦亡期間會(huì)發(fā)生 gasdermins 和caspases 蛋白的剪切，可通過(guò)免疫印跡 (western blot) 等確定蛋白的裂解。例如，使用甘露糖預(yù)處理黑色素瘤細(xì)胞系，后用 cccp/feso4 誘導(dǎo)焦亡，可觀察到焦亡細(xì)胞中發(fā)生 gsdme 裂解[17]。
圖 8. 焦亡細(xì)胞中發(fā)生 gsdme 裂解[17]。
? ldh 釋放實(shí)驗(yàn)：當(dāng)細(xì)胞發(fā)生焦裂時(shí)，細(xì)胞膜會(huì)破裂并釋放 ldh?？梢酝ㄟ^(guò)檢測(cè)培養(yǎng)液中 ldh 活性的變化來(lái)判斷細(xì)胞是否發(fā)生焦裂[16]。作者使用甘露糖預(yù)處理不同的黑色素瘤細(xì)胞系，后用 cccp/feso4 誘導(dǎo)焦亡，結(jié)果表明，與對(duì)照組（ctrl）相比，cccp/feso4 實(shí)驗(yàn)組 ldh 大量釋放[17]。
圖 9. 焦亡細(xì)胞中乳酸脫氫酶 (ldh) 的釋放[17]。
? il-1β 和 il-18 釋放：
炎性程序性細(xì)胞死亡通常伴隨著炎癥因子 il-1β 和 il-18 的釋放?？赏ㄟ^(guò)elisa 或其他免疫檢測(cè)方法檢測(cè)這些炎癥因子的釋放情況[17]。例如，lps 引發(fā)的 thp-1 細(xì)胞在沒(méi)有抑制劑的情況下用 nigericin 處理時(shí)，檢測(cè)到 caspase-1、gsdmd 和 pro-il-1β 裂解為對(duì)應(yīng)的活性形式。
圖 10. pro-il-1β 的裂解和 il-1 的釋放[17]。
細(xì)胞焦亡通常伴隨著孔素的形成和細(xì)胞膜的破裂?？梢允褂脽晒馊玖?(如丙啶酮、yo-pro-1 或 pi) 標(biāo)記孔素并通過(guò)流式細(xì)胞術(shù)或熒光顯微鏡觀察細(xì)胞膜孔的形成[17][18]。
此外，還可通過(guò)炎性小體形成和炎性半胱天冬酶的活化來(lái)判斷：細(xì)胞焦亡的特點(diǎn)是炎性體的形成，其標(biāo)記物是 nlrp3。因此，可通過(guò)免疫印跡(western blot)、流式等技術(shù)檢測(cè)炎性小體 nlrp3 的表達(dá)和 caspase-1 的活化情況[19]。
【1】sw ryter, et al. cell death and repair in lung disease. pathobiology of human disease. 2014, pages 2558-2574.【2】miller dr, et al. the interplay of autophagy and non-apoptotic cell death pathways. int rev cell mol biol. 2020;352:159-187.【3】loveless r,et al. pyroptosis at the forefront of anticancer immunity. j exp clin cancer res. 2021 aug 24;40(1):264. 【4】si ming man, et al. molecular mechanisms and functions of pyroptosis, inflammatory caspases and inflammasomes in infectious diseases.immunol rev. 2017 may;277(1):61-75.【5】del re dp, et al. fundamental mechanisms of regulated cell death and implications for heart disease. physiol rev. 2019 oct 1;99(4):1765-1817. 【6】yu p, et al. pyroptosis: mechanisms and diseases. signal transduct target ther. 2021 mar 29;6(1):128.【7】van opdenbosch n, et al. caspases in cell death, inflammation, and disease. immunity. 2019 jun 18;50(6):1352-1364.【8】rathinam v a k, et al. regulation of inflammasome signaling[j]. nature immunology, 2012, 13(4): 333-342.【9】wei x, et al. role of pyroptosis in inflammation and cancer. cell mol immunol. 2022 sep;19(9):971-992.【10】wu y, et al. caspase-4/11-mediated pulmonary artery endothelial cell pyroptosis contributes to pulmonary arterial hypertension. hypertension. 2022 mar;79(3):536-548.【11】wang y, et al. chemotherapy drugs induce pyroptosis through caspase-3 cleavage of a gasdermin. nature. 2017 jul 6;547(7661):99-103.【12】jiang m, et al. the caspase-3/gsdme signal pathway as a switch between apoptosis and pyroptosis in cancer. cell death discov. 2020 oct 28;6:112. 【13】sheng m, et al. caspase-6/nr4a1/sox9 signaling axis regulates hepatic inflammation and pyroptosis in ischemia-stressed fatty liver. cell death discov. 2023 mar 28;9(1):106.【14】fritsch m, et al. caspase-8 is the molecular switch for apoptosis, necroptosis and pyroptosis. nature. 2019 nov;575(7784):683-687【15】zheng z, et al. the lysosomal rag-ragulator complex licenses ripk1 and caspase-8-mediated pyroptosis by yersinia. science. 2021 jun 25;372(6549):eabg0269.【16】li t, et al. aloe-emodin induces mitochondrial dysfunction and pyroptosis by activation of the caspase-9/3/gasdermin e axis in hela cells. front pharmacol. 2022 may 17;13:854526.【17】ai yl, et al. mannose antagonizes gsdme-mediated pyroptosis through ampk activated by metabolite glcnac-6p. cell res. 2023 jul 17.【18】hu jj, et al. fda-approved disulfiram inhibits pyroptosis by blocking gasdermin d pore formation. nat immunol. 2020 jul;21(7):736-745.、【19】kucia m, et al. an evidence that sars-cov-2/covid 19 spike protein (sp) damages hematopoietic stem/progenitor cells in the mechanism of pyroptosis in nlrp3 inflammasome-dependent manner. leukemia. 2021 oct;35(10):3026-3029.