促炎癥的 PCD 細胞焦亡分類和機制
程序性細胞死亡 (Programmed cell death, PCD) 是多細胞生物中，由基因調控的細胞自殺過程，對多細胞生物的發育、體內穩態和完整性至關重要。PCD 的研究涉及多個領域，如免疫、神經系統發育、癌癥、感染等。常見的 PCD 有細胞凋亡 (Apoptosis)、自噬 (Autophagy) 和焦亡 (Pyroptosis)，以及近年發現的鐵死亡 (Ferroptosis) 。
圖 1. 細胞死亡分類[2]
細胞焦亡 (Pyroptosis) 是一種促炎癥的調節性壞死 (Regulated necrosis) 方式。細胞焦亡通常在細胞內病原體 (Intracellular pathogens) 感染時發生，例如單核細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞被一系列微生物病原體 (如 Salmonella, Francisella, Legionella) 感染后，發生半胱氨酸蛋白酶 Caspase-1 依賴性細胞焦亡。此外，一些損傷相關的分子模式 (DAMPs) 也會引起非巨噬細胞的焦亡。細胞焦亡機制
細胞焦亡主要有兩種分子機制: 經典的 Caspase-1 依賴性和非 Caspase-1 依賴性途徑，這兩種機制的焦亡都會導致促炎癥細胞因子 IL-1β 和 IL-18 釋放 (圖 2)，擴大局部或全身的炎癥。
(左) Caspase-1 依賴性細胞焦亡；(右) 非 Caspase-1 依賴性細胞焦亡
在了解細胞焦亡機制之前，我們需要先認識兩種重要組分: 炎癥小體 & Gasdermin D。
炎癥小體 (Inflammasome): 一般是由上游感受器蛋白，即模式識別受體 PRR，和銜接蛋白 ASC 以及下游的 Caspase-1 組成的復合物 (圖 3)，其中 PRR 能識別病原體入侵誘導的某些病原相關分子模式 PAMPs 和損傷相關分子模式 DAMPs。PRR 家族包括 Toll-樣受體 (TLRs)、NOD-樣受體和 AIM2 等成員，經典的炎癥小體亞型的感受器包括 NOD-樣受體 (NLRP1, NLRP3, NLRC4) 、AIM2 或熱蛋白結構域 PYD，在識別 PAMPs 或 DAMPs 后活化 Caspase-1。
Gasdermin D (GSDMD): 焦亡中炎癥 Caspase-1/4/5/11 的直接底物。GSDMD (53 kDa) 被 Caspase-1/4/5/11 裂解產生一個能啟動焦亡的 N-末端片段 ( GSDMD-NT, 31 kDa) 和一個功能未知的 C-末端片段 (GSDMD-CT, 22 kDa)。GSDMD-NT 與細胞膜內小葉結合，并構成直徑 10-33 nM 的孔。GSDMD-NT 也驅動 NLRP3-依賴性 Caspase-1 炎癥小體的激活，這可能要求 GSDMD 誘導形成的孔隙并引起鉀外排。
Caspase-1 依賴性細胞焦亡 (圖 2. 左): 以 NLRP3 途徑為例，某些 PAMPs 或 DAMPs 激活炎癥小體感受器后，觸發 ASC 和 Caspase-1 募集形成大分子復合物，在復合物中 Caspase-1 被激活 。激活的 Caspase-1 直接裂解 GSDMD 和前體細胞因子 pro-IL-1β 和 pro-IL-18，引發焦亡，并促使 IL-1β 和 IL-18 成熟。裂解的 GSDMD-NT 在細胞膜上形成孔，介導細胞質內容物 (Contents) 的釋放。炎癥小體感受器 NLRC4 與 NLRP3 不同之處在于 NLRC4 直接含有 CARD 結構域，可以直接與 Caspase-1 相互作用 (圖 3)。非 Caspase-1 依賴性細胞焦亡 (圖 2. 右): 人細胞中的 Caspase-4 或 Caspase-5 或小鼠細胞中的 Caspase-11 識別細胞溶質中的 LPS，這些炎性 Caspase 直接裂解 GSDMD 并引發焦亡。此外，GSDMD-NT 還能激活 NLRP3 炎癥小體及 IL-1β 和 IL-18 的 Caspase-1 依賴性成熟。
除了以上兩種主要的細胞焦亡機制外，最近的研究還發現了一種新的焦亡途徑: 特定的刺激導致 Caspase-3 的激活 (原本 Caspase-3 是凋亡的底物)，Caspase-3 誘導 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，導致細胞焦亡。
細胞焦亡與其他常見 PCD 的區別
細胞凋亡 (Apoptosis): Caspases 依賴性的經典 PCD。凋亡細胞受控地分裂成凋亡小體，隨后被周圍的細胞和吞噬細胞識別和吞噬。在凋亡和焦亡中， Caspases 都發揮了重要的作用。
自噬性細胞死亡/自噬 (Autophagy-dependent cell death/Autophagy): 自噬體和自噬溶酶體的分解代謝過程，是細胞應激的重要保護機制，也是維持穩態的高度保守過程。鐵死亡 (Ferroptosis): 近年來發現的一種鐵依賴性的 PCD，區別于細胞凋亡、細胞壞死、細胞自噬。
表 2. 幾種 PCD 對比 (點擊查看大圖)[13]
細胞焦亡相關疾病
細胞焦亡是機體重要的免疫反應，和感染性疾病、心血管疾病、神經系統相關疾病、腫瘤密切相關。
細胞焦亡與感染: 病原體感染時，焦亡作用作為宿主防御機制，通過消除受損細胞，從而消除病原體，抵御感染，同時引發炎癥反應。研究表明，多種細菌感染，包括弗氏志賀菌 (Shigella flexneri) 、沙門氏菌 (Salmonella)、單核細胞增生利斯特菌 (Listeria monocytogenes) 和嗜肺軍團菌 (Legionella pneumophila) 都能導致細胞焦亡發生。
細胞焦亡與心血管疾病: 近年來的研究表明，焦亡與動脈粥樣硬化、心肌梗死、糖尿病性心肌病、再灌注損傷和心肌炎等心血管疾病的發病機制有關。例如，在早期的動脈粥樣化形成中，內皮細胞的焦亡可能促進單核細胞招募進入內膜以及血管炎癥；在晚期動脈粥樣硬化病變中，巨噬細胞的焦亡可能促使壞死核心的形成和血小板不穩定。還有研究表明，心肌梗死期間心肌細胞的損傷與焦亡有關。
細胞焦亡與神經系統疾病: 焦亡與中樞神經系統疾病如腦血管病、阿爾茨海默病和癲癇有關。例如阿爾茨海默病，其主要病理改變是細胞外神經炎斑塊中 β-淀粉樣蛋白 (Aβ) 的沉積干擾神經膜功能，導致鉀離子從神經元中流出，激活 NLRP1，引發焦亡。
細胞焦亡與代謝性疾病: NLRP3 炎癥小體在焦亡中起著重要作用，而 NLRP3 的激活可能與糖尿病的發生，發展及其相關并發癥有關。
細胞焦亡與腫瘤: 近年來有研究發現，焦亡作用可影響腫瘤的增殖、侵襲和轉移，并受到一些非編碼 RNA 等分子的調控。
縮寫:
DAMPs: Danger-associated molecular patterns
PRR: Contain pattern-recognition receptors
ASC: Apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD
PAMPs: Pathogen-associated molecular patterns
NLR: Nod-like receptor/Nucleotide-binding oligomerization domain-like receptors,
CARD: N-terminal caspase recruitment domain
PYD: Pyrin domain
LRR: leucine-rich repeat
NBD: Nucleotide-binding and oligomerization domain
AIM2: absent in melanoma 2
| 相關產品 | 作用 |
| 細胞焦亡化合物庫 Pyroptosis Compound Library |
收錄了 400+ 種細胞焦亡相關產品，主要靶向焦亡信號通路中主要靶點，可以用于細胞焦亡信號通路及相關疾病的研究 |
| 細胞凋亡化合物庫 Apoptosis Compound Library |
收錄了 1000+ 種凋亡相關產品，主要靶向凋亡信號通路種主要靶點，可以用于細胞凋亡信號通路及相關疾病的研究描述 |
| 自噬化合物庫 Autophagy Compound Library |
提供 900+ 種自噬信號通路相關的產品，是研究自噬相關調控及疾病的有用工具 |
| 鐵死亡化合物庫 Ferroptosis Compound Library |
收集了 400+ 鐵蛋白信號通路相關化合物，具有鐵蛋白誘導或抑制活性。是研究鐵作用機理的有用工具 |
| 基于 WST-8 的廣泛應用于細胞活性和細胞毒性檢測的快速、高靈敏度試劑盒。 | |
| JC-1 試劑盒 JC-1 Mitochondrial Membrane Potential Assay Kit |
以 JC-1 為熒光探針，快速靈敏地檢測組織、細胞或純化的線粒體跨膜電勢差的試劑盒，可以用于早期的細胞凋亡檢測 |
| 7-Aminoactinomycin | 熒光 DNA 染色劑 |
| Propidium Iodide | 用于細胞染色的紅色熒光染料 |
| Erastin | 鐵死亡誘導劑 |
參考文獻
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