技術(shù)專欄

細胞內(nèi)的生死游戲：探索細胞焦亡的奧秘

供稿：市場部

發(fā)布時間：2023-05-23

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細胞焦亡（pyroptosis）是一種新的程序性細胞死亡方式，其依賴于Gasdermin家族蛋白形成質(zhì)膜膜孔的、可調(diào)控的細胞死亡，經(jīng)常但并不總因炎癥性Caspase的活化而完成。其形態(tài)學(xué)特征在電鏡下觀察，可清楚看到在細胞質(zhì)膜破裂前，焦亡的細胞形成大量小泡，即焦亡小體。之后細胞膜上會形成孔隙，細胞膜破裂，內(nèi)容物流出。

細胞形態(tài)學(xué)：根據(jù)細胞形態(tài)變，可初步鑒定細胞是否發(fā)生焦亡。通過光學(xué)顯微鏡觀察，可看到胞漿破裂或有大量細胞碎片的存在。

LDH釋放檢測：乳酸脫氫酶（LDH）是存在于幾乎所有細胞內(nèi)的一種酶，當(dāng)細胞膜破裂時，LDH能被釋放到培養(yǎng)液中。因此，可通過檢測培養(yǎng)液中的LDH濃度，確定是否存在細胞焦亡。

DNA片段化檢測：通過檢測細胞焦亡后DNA的斷裂和片段化來確定細胞是否凋亡，如DNA凝膠電泳，DNA染色體斷裂中斷PCR等；

ELISA檢測炎癥因子：細胞焦亡是一種由于受到各種環(huán)境或藥物刺激而導(dǎo)致的特殊死亡方式，會釋放一系列炎癥因子，引發(fā)炎癥反應(yīng)。常用指標(biāo)：IL-1β、IL-6、IL-18，通過使用特定的抗體，可以測量這些炎癥因子的含量，從而確定細胞焦亡的程度。

WB實驗檢測：通過檢測單個蛋白質(zhì)，可檢測到細胞焦亡中存在的關(guān)鍵分子，如Caspase-3，PARP等進行定量檢測。

aspase-1介導(dǎo)的典型途徑：

細胞焦亡途徑中，由NLRP3、NLRC4、AIM2、Pyrin等炎癥小體被激活后將活化并裂解Pro-Caspase-1形成具有活性的Caspase-1，Caspase-1可以裂解GSDMD蛋白形成具有活性的N端與C端，N端促使細胞膜穿孔、細胞死亡；同時Caspase-1還可以處理pro-IL-1β形成有活性的IL-1β，釋放到細胞外擴大炎癥反應(yīng)。

caspase-4/5/11介導(dǎo)的非典型途徑：在非經(jīng)典細胞焦亡途徑中，LPS可以直接與Capase-4/5/11結(jié)合，一方面，活化的Caspase-4/5/11可以裂解GSDMD蛋白，GSDMD蛋白N端既可以介導(dǎo)細胞膜溶解與細胞焦亡，還可以激活NLRP3炎癥小體來活化Caspase-1，最終產(chǎn)生IL-1β并外釋；另一方面，活化的Caspase-4/5/11激活通道Pannexin-1，釋放ATP以開放胞膜通道P2X7，使細胞膜形成小孔誘導(dǎo)細胞焦亡，激活的Pannexin-1還通過外釋K+激活NLRP3炎癥小體，最終產(chǎn)生IL-1β并外釋。

caspase-3-gasdermin E (GSDME)途徑：研究發(fā)現(xiàn)一種新的焦亡途徑：特定的刺激導(dǎo)致 Caspase-3 的激活 (原本 Caspase-3 是凋亡的底物)，Caspase-3 誘導(dǎo) Gasdermin E (GSDME) 的裂解為 C-末端片段 (GSDME-CT) 和 N-端片段 (GSDME-NT)。GSDME-NT 也參與了膜孔的形成，導(dǎo)致細胞焦亡。

顆粒酶介導(dǎo)途徑：研究發(fā)現(xiàn)細胞毒性淋巴細胞所分泌的顆粒酶A（Granzyme A，GZMA）通過切割GSDMB釋放GSDMB-N片段，造成細胞穿孔，從而誘發(fā)細胞焦亡。這項研究刷新了細胞焦亡的定義，改寫了焦亡只能經(jīng)Caspase活化的定論。

GZMA切割GSDMB誘導(dǎo)細胞凋亡源自[4]

細胞焦亡與腫瘤

細胞焦亡不僅是細胞增殖、應(yīng)激反應(yīng)和體內(nèi)平衡的生理調(diào)節(jié)劑，也是一種腫瘤抑制機制，誘導(dǎo)腫瘤細胞焦亡已成為抗腫瘤免疫的途徑之一。另外，發(fā)生焦亡的腫瘤細胞釋放炎性因子到微環(huán)境中，可能起到促進腫瘤免疫的作用。

細胞焦亡與糖尿病

PRR家族的一員NLRP3對于1型和2型糖尿病進展都起到關(guān)鍵作用。1型糖尿病小鼠模型中，敲除NLRP3和IL-1R后胰島素上調(diào)，有效減緩高血糖癥狀。在2型糖尿病小鼠中，過量表達的NLRP3會加劇脂肪組織的炎癥，胰島素敏感性下降，促進胰島素抵抗。提示NLP3介導(dǎo)的焦亡可以作為治療糖尿病的新靶標(biāo)。

細胞焦亡與心臟疾病

同樣，NLRP3炎性小體激活介導(dǎo)的細胞焦亡能促進動脈粥樣硬化、心衰、高血壓等各種心血管疾病發(fā)展。心血管疾病的病理基礎(chǔ)——動脈粥樣硬化，其實就是一個炎癥反應(yīng)過程。許多研究報道顯示，細胞焦亡可能與動脈粥樣硬化的發(fā)展密切相關(guān)。

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參考文獻：

1.Chen X, He WT, Hu L, Li J, Fang Y, Wang X, Xu X, Wang Z, Huang K, Han J. Pyroptosis is driven by non-selective gasdermin-D pore and its morphology is different from MLKL channel-mediated necroptosis. Cell Res. 2016 Sep;26(9):1007-20.

2.Fink SL, Bergsbaken T, Cookson BT. Anthrax lethal toxin and Salmonella elicit the common cell death pathway of caspase-1-dependent pyroptosis via distinct mechanisms. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008 Mar 18;105(11):4312-7.

3.Man SM，Kanneganti TD.Gasdermin D：the long-awaited executioner of pyroptosis[J].Cell Res，2015，25（11）：1183-1184.

4.Zhou Z, He H, Wang K, Shi X, Wang Y, Su Y, Wang Y, Li D, Liu W, Zhang Y, Shen L, Han W, Shen L, Ding J, Shao F. Granzyme A from cytotoxic lymphocytes cleaves GSDMB to trigger pyroptosis in target cells. Science. 2020 May 29;368(6494):eaaz7548.