细胞焦亡是一种什么样的“死法”？看完这篇你就明白了！

关于细胞的「死法」，你了解过多少？

参考细胞死亡命名委员会(NCCD)的分类，细胞死亡方式包括：内源性细胞凋亡（Intrinsic apoptosis）、外源性细胞凋亡(Extrinsic apoptosis)、坏死性凋亡（Necroptosis）、细胞焦亡（Pyroptosis）、铁死亡（Ferroptosis）、PARP1依赖的死亡（Parthanatos）、内亡或者侵入性细胞死亡（Entotic cell death）、依赖中性粒细胞外诱捕网的网补死亡（Netotic cell death）、溶酶体依赖性细胞死亡（LCD）、自噬依赖性细胞死亡（ADCD）、免疫原性细胞死亡（ICD）......

在这些千奇百怪的“死法”中，“凋亡”和“焦亡”让人傻傻分不清，他们不仅读音相似，甚至连“执行”过程都有些雷同！

早期“焦亡”一直被误以为是“凋亡”，在2001年前，提及Caspase引起细胞死亡，研究人员只有“凋亡”一种答案。

那么出道22年、火爆程度与日俱增的“细胞焦亡”究竟是怎么一种细胞死亡形式呢？今天小P就带大家一探究竟。

细胞焦亡最新定义

2018年，NCCD提议将细胞焦亡定义为：一种依赖于Gasdermin家族蛋白形成质膜膜孔的、可调控的细胞死亡（Regulated cell death），经常但并不总因炎症性Caspase的活化而完成。

细胞焦亡发展历程

1986年，Friedlander在研究报告中指出，用炭疽致死毒素（LT）处理原代小鼠巨噬细胞导致细胞死亡和细胞内容物快速释放[1]。这是目前所能追溯到最早的一项细胞焦亡相关研究（现已明确该方式是细胞焦亡）。

1989年，Cerretti等人和Thornberry等人，首次发现了白细胞介素-1β-转化酶（ICE，即后来的Caspase-1），它能将前体IL-1β加工成成熟的IL-1β[2-3]。ICE的发现也为细胞焦亡研究埋下了一颗种子。

1992年，Zychlinsky等人在福氏志贺氏菌(Shigella flexneri)感染的巨噬细胞中发现了细胞“自杀”，电镜观察发现该型细胞死亡有染色质固缩、胞膜出泡、胞质空泡化、内质网膨胀、仍保留细胞器结构、基因组DNA片段化等特征（其实这就是细胞焦亡特征），基于当时对细胞死亡的认识，依旧将其归类为细胞凋亡[4]。

1993年，袁钧瑛教授团队在线虫中发现一个凋亡相关蛋白酶Ced-3，与ICE含有相似结构域，这也是第一个被报道的凋亡相关Caspase蛋白[5]，随后更多与之类似的同源蛋白被发现。

1996年，袁钧瑛等人正式统一将上述ICE/CED3蛋白酶家族成员命名为Caspase，即半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶（Cys-Asp Specific Proteinase），一组与细胞因子成熟和细胞程序性死亡有关的蛋白酶[6]。自此活化IL-1β的ICE正式被称呼为Caspase-1。

1996年，Chen等人报道了福氏志贺氏菌的入侵质粒抗原B(ipaB)可直接与Caspase-1结合并使其活化，Caspase-1抑制剂则可抑制巨噬细胞的死亡。首次报道了Caspase-1可以引起细胞死亡[7]。

1998年，Zychlinsky团队的一项研究发现，在Caspase-1敲除小鼠分离出的巨噬细胞对志贺氏菌诱导的细胞凋亡不敏感，但对其他凋亡刺激正常响应。研究团队认为福氏志贺氏菌诱导的细胞死亡可能是一种不同形式的、依赖于Caspase-1的凋亡形式[8]。

2001年，Brennan MA和Cookson BT发文，正式提出“细胞焦亡（Pyroptosis）”概念，首次区分了细胞焦亡和细胞凋亡[10]。

自此，关于细胞焦亡的研究也越来越多了起来，并且在近几年达到巅峰，成为生命科学及医学领域的一大研究热点。

数据源于:PubMed

细胞焦亡特征

形态学特征：

光镜下，焦亡细胞表现为细胞肿胀膨大，并且有许多气泡状突出物；相较于坏死细胞而言，细胞焦亡的肿胀程度更低。

电镜下，可以清楚看到在细胞质膜破裂前，焦亡的细胞形成大量小泡，即焦亡小体。之后细胞膜上会形成孔隙，细胞膜破裂，内容物流出。

细胞焦亡电镜图 源于[11]

生化特征：

细胞焦亡的生化特征主要标志有炎症小体的形成，Caspase和Gasdermin的激活以及大量促炎症因子的释放。

细胞焦亡和凋亡异同点：

Caspase家族成员在细胞焦亡与凋亡过程中的功能：

细胞焦亡通路

细胞焦亡属于炎症性死亡途径，主要通过活化的Caspase家族成员，切割并激活gasdermin家族成员，使其结合到细胞膜产生膜孔；由于胞内外渗透压差异，导致细胞不断膨胀，最终细胞破裂死亡，内容物释放，引发强烈炎症反应。下面介绍几种细胞焦亡的通路：

1.经典途径（Caspase-1)

当细胞在感受到微生物感染或其他伤害信号时，会组装形成一个多蛋白复合物——炎症小体，炎症小体能召集并活化Caspase-1，活化的Caspase-1切割GSDMD介导膜孔产生和内容物释放，同时切割促炎症细胞因子IL-1β和IL-18前体促进其成熟和释放，以招募更多炎症细胞聚集，扩大炎症反应。

下图为致命毒素和沙门氏菌使用不同的机制来激活Caspase-1，从而导致细胞焦亡的共同途径。

不同途径激活Caspase-1引发细胞焦亡 源自[12]

2.非经典途径（Caspase-4、5、11)

在细菌脂多糖（LPS）等信号的刺激下，Caspase-4、5(小鼠为Caspase-11)被活化，活化的Caspase-4、5、11切割GSDMD，形成含有GSDMD氮端活性域的肽段，诱导细胞膜穿孔，细胞破裂，释放内容物；同时活化的Caspase-4、5、11在NLRP3和ASC存在下可与Caspase-1相互作，从而促进其激活，介导下游IL-1β和IL-18的成熟和释放[13-14]。

非经典细胞焦亡途径中，GSDMD的切割均由其他Caspases完成，仅IL-1β和IL-18前体的裂解取决于Caspase-1。

非经典途径细胞焦亡 源自[13]

以上两种途径，是最早被解密的两种细胞焦亡途径。

近5年，细胞焦亡的定义及相关机制不断被改写完善。这其中，邵峰院士团队功不可没。

3.Caspase-3途径

2017年，邵峰院士团队提出细胞在接受化疗药物后，活化的Caspase-3可以剪切GSDME，形成GSDME-N片段和GSDME-C片段，释放的GSDME-N片段能够造成细胞膜穿孔，最终诱导细胞焦亡[15]。

长期以来Caspase-3被认为是细胞凋亡的标志，这一通路的发现改变了人们的认知；而GSDME是Caspase-3活化后决定细胞死亡方式的关键分子这一观点的提出，也为癌症化疗及其对正常细胞毒副作用的消除提供了新见解。

4.颗粒酶介导途径

2020年，邵峰院士团队首次揭示了细胞毒性淋巴细胞所分泌的颗粒酶 A（Granzyme A，GZMA）通过切割GSDMB释放GSDMB-N片段，造成细胞穿孔，以诱发细胞焦亡[16]。

这一发现再次刷新了细胞焦亡的定义，改写了焦亡只能经Caspase活化的定论。

GZMA切割GSDMB诱导细胞凋亡 源自[16]

在上述几种途径中，我们不难发现，Caspase可以没有，但是GSDM家族必须存在。

因为GSDM家族是细胞焦亡的执行分子，其打孔功能是细胞焦亡发生的必要条件。这个家族一般包含有一个细胞毒性的N末端结构域和一个C末端的抑制结构域。被切割后N端结构域被释放，擦入到膜上形成膜孔。GSDM蛋白家族在人体内有五位成员：GSDMA，GSDMB，GSDMC，GSDMD，GSDME。

细胞焦亡与疾病

细胞焦亡是机体重要的免疫反应，在拮抗感染和内源性危险信号中发挥重要作用。近些年对肿瘤、感染性疾病、代谢性疾病、神经系统相关疾病和心血管疾病等的研究或多或少关联到细胞焦亡，相关文章也呈一个爆发趋势，可见细胞焦亡已成为生物医学研究领域的又一个热点。

1.焦亡与肿瘤

细胞死亡不仅是细胞增殖、应激反应和体内平衡的生理调节剂，也是一种肿瘤抑制机制，诱导肿瘤细胞焦亡已成为抗肿瘤免疫的途径之一。

邵峰院士团队2020年的文章中揭示，人神经母细胞瘤SH-5Y5Y和人恶性黑色素瘤MeWo具有较高的GSDME表达，在化疗药物如Topotecan、Etoposide等作用下，GSDME通过Caspase-3的切割作用获得活性，诱导肿瘤细胞发生焦亡，这一研究表明GSDME可能成为抑癌基因新方向；同时该研究也发现敲除正常细胞中GSDME的表达能降低化疗药物副作用，为肿瘤的临床治疗提供了新的靶点和思路[17]。

2.焦亡与感染性疾病

上面我们提到，细胞焦亡早期是在被感染的巨噬细胞中发现的，这也表明了焦亡与感染性疾病的密切关系。

病原体入侵宿主细胞后，需要利用宿主细胞进行复制增殖，而细胞焦亡刚好可以将这些被入侵的细胞内容物释放，为炎症级联反应提供强有力的信号，招募免疫细胞，清除病原体[18]。

病毒性肝炎是一种常见的感染性肝病，也是全球公共卫生面临的重要威胁之一。据世界卫生组织《2017年全球肝炎报告》显示，单在2015年就有134万人因病毒性肝炎而离世。

近期许多研究表明，细胞焦亡在肝病进展中起着重要作用，靶向细胞焦亡是肝病治疗一个有前景的方向。

靶向焦亡相关通路在肝病治疗中的意义 源自[19]

3.焦亡与代谢性疾病

代谢性疾病即因代谢问题（代谢障碍和代谢旺盛等）引起的疾病，常见的有糖尿病，痛风，高血糖高渗综合征等。其中2型糖尿病（T2DM）的重要病理特征是胰岛β细胞的胰岛素抵抗和胰岛素分泌受损。

有研究表明在高血糖环境下，活性氧（ROS）激活β细胞中的NLRP3炎性体，提高Caspase-1依赖性IL-1β的分泌；这介导β细胞胰岛素分泌功能障碍并促进肥胖和胰岛素抵抗，最终导致T2DM的发展，而NLRP3炎症小体和Caspase-1正是细胞焦亡的经典途径中的关键参与者[20]。可以猜测细胞焦亡可能是糖尿病发病机制的一个新的研究视角。

4.焦亡与神经系统相关疾病

许多神经退行性疾病，包括阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、肌萎缩性侧索硬化（ALS）、亨廷顿病（HD）、多发性硬化、中风和创伤性脑损伤，都有细胞焦亡参与其中的证据报道。

PD是一种常见的与年龄相关的神经退行性运动障碍，主要是由于多巴胺能神经元的丧失。据报道，红景天苷(Sal)具有神经保护作用。Sal通过直接或者间接的通路来抑制 NLRP3 依赖性焦亡来保护多巴胺能神经元。可见焦亡在PD中起关键作用，暗示抑制细胞焦亡或给予Sal可能是一种新的PD治疗策略[21]。

5.焦亡与心血管疾病

众所周知，威胁人类死亡的头号杀手正是心血管疾病，而心血管疾病的病理基础——动脉粥样硬化，其实就是一个炎症反应过程。许多研究报道显示，细胞焦亡可能与动脉粥样硬化的发展密切相关。

2017年的一篇研究表示内皮细胞（ECs）中的Caspase-1-炎症小体途径可以感知升高的脂质或炎症介质作为相关分子模式（DAMP），促进内皮激活，并导致ECs细胞焦亡[22]。有研究表明Caspase-1或NLRP3炎症小体可作为动脉粥样硬化相关炎症的标志物，同时也可能极大地影响动脉粥样硬化的进展。

以上研究和细胞焦亡的分子机制表明，抑制炎症小体或Caspase-1可能成为预防和治疗动脉粥样硬化和血管炎症的新思路。

编者总结

细胞焦亡作为一种促炎性细胞死亡方式，也是感染和组织损伤时先天免疫反应的一种重要形式。它不仅在细胞组织正常生理功能和形态的维持中发挥功能，还在各种疾病的发生和发展中起着关键作用。

针对细胞焦亡特征、发生机制以及其与疾病间关系的研究，可以为相关疾病的预防和治疗提供新的思路和靶点。

目前已有部分团队率先在针对NLRP3炎症小体及其相关途径的疗法方面取得了一些进展，但更多的靶点和思路还有待探寻。同时如何在有效利用细胞焦亡之后，避免炎症因子风暴副作用，也是一个值得深究的问题。

相信在不久的将来，伴随着更全面、更精细的机制揭示，会有更多细胞焦亡相关疗法问世，造福人类！

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