细胞焦亡在炎症和癌症中如何发挥作用？

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导读

细胞焦亡(pyroptosis)是由炎性小体引发的一种细胞程序性死亡，表现为细胞不断胀大直至细胞膜破裂，导致细胞内容物释放进而引起强烈的炎症反应。细胞焦亡的发生依赖于炎性半胱天冬酶(caspase)和GSDMs蛋白家族，简单来说就是被激活的caspase切割GSDMs蛋白，释放出其N端结构域，该结构域结合膜脂并在细胞膜上打孔，导致细胞渗透压的变化，进而发生胀大直至细胞膜破裂。而本文主要讲述了NLRP3炎症小体和gasdermin家族的新调节机制、细胞焦亡在抗癌治疗中的应用前景1以及焦亡相关的科研思路。

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结果解读

焦亡通路中重要成分的新机制

在体内，焦亡是一个极其复杂的过程，因此在焦亡过程中存在许多正向或负向的调节机制。最近的研究揭示了许多与NLRP3通路相关的新机制。首先，NLRP3受体蛋白包含三个结构域：PYD、NACHT和LRR。在NLRP3炎症小体组装后，NLRP3的PYD与ASC（衔接蛋白）的PYD相互作用形成同型PYD-PYD，而ASC中的CARD结构可以招募并与caspase-1的CARD结构域结合。

成熟的caspase-1切割GSDMD产生约31-kDa的n端片段，并启动焦亡程序并促进机体分泌成熟的炎症细胞因子。最近，有科学家发现PINK1-PARK2通路可以通过上调多巴胺来缓解炎症反应，从而下调HIF1α的激活，最后诱导NLRP3炎症小体的激活。此外，PKM2可以选择性地使EIF2AK2磷酸化，从而触发巨噬细胞中的NLRP3炎症小体。

DDX3X是一种酶，它的突变与各种癌症的发展有关（包括肝癌、肺癌和胰腺癌）。而科学家们发现DDX3X可以与NLRP3的NACHT结构域耦合，从而决定细胞是存活还是通过焦亡被杀死。CARD8炎症小体可以感知HIV-1蛋白酶和DPP8/9抑制剂的活性，调节NLRP3-caspase-1依赖的焦亡。Val-boroPro (VBP)破坏NLRP1和DPP9的相互作用，从而加速n端片段的降解。cGAS-STING通路促进caspase-1上的NF-κB功能，进而诱导焦亡，而这一过程被褪黑素抑制（图1）。

Gasdermin D的新调节

Gasdermin D是一种被广泛研究的焦亡的关键效应物，其调控机制主要集中在影响其早期裂解的上游因素上，包括发挥促炎或抗炎作用的焦亡相关复合物。mTORC1-Ragulator-rag通路在膜孔的形成中发挥重要作用，其中它促进活性氧(ROS)的产生，从而调节GSDMD的寡聚化和膜孔的形成。

科学家们还发现转运必需内体分选复合物(endosomal sorting complex required for transport,ESCRT)系统可以修复下游焦亡过程中的膜孔，这一过程不影响GSDMD的激活，从而减轻焦亡，抑制钙内流促进IL-1β的释放，从而防止细胞死亡。ELANE介导的GSDMD裂解产生一种活性的GSDMD-ent，可导致焦亡。最后，IRF7可以与GSDMDNT发生物理作用，导致焦亡（图1）。

图1 NLRP3和gasdermins D的新调控机制

新发现的其他gasdermins的作用

Gasdermins是一个保守的蛋白家族，含有A、B、C、D、E和DFNB59，其中大多数最近被证实与孔隙形成有关。除GSDMD外，最近还有许多关于Gasdermins的高温机制的研究。一直以来科学家们认为焦亡只被半胱天冬酶家族激活，但最近的研究结果并不与这一概念相同。颗粒酶a是一种由细胞毒性淋巴细胞产生的丝氨酸蛋白酶。颗粒酶A可以通过穿孔素进入靶细胞，并可以水解gasdermins B（可以被干扰素-γ上调）进而触发焦亡。与大多数gasdermins家族成员不同，GSDMB直接表现出抗菌活性，其中它可以识别革兰氏阴性菌细胞膜上的磷脂。福氏志贺氏菌分泌的IpaH7.8效应物使GSDMB降解26 S蛋白酶体，以抑制颗粒酶A介导的GSDMB激活。

另一种颗粒酶，颗粒酶B也可以诱导caspase-3成熟，切割GSDME，使细胞死亡的机制从凋亡转变为焦亡。最近的研究主要集中在肿瘤焦亡的调控机制上，科学家们发现肿瘤细胞的焦亡通路与巨噬细胞完全不同。在缺氧条件下，PD-L1与p-Stat3-Y705相互作用，促进GSDMC诱导的焦亡触发，这是由TNFα和CHX促进的，但这一过程可以被Stat3阻断。TNF-α激活caspase-8来切割GSDMC，从而避免激活caspase-3诱导的焦亡。另外与GSDMs的其他蛋白家族不同，活化GSDMA的蛋白酶最近才被发现，其在宿主免疫中的生理和病理作用已经被揭示：活化的GAS半胱氨酸蛋白酶SpeB在Gln246位点134后通过直接蛋白水解切割GSDMA，并在宿主细胞膜上形成GSDMA孔，促进感染细胞焦亡，最终导致局部炎症和病原体清除（图2）。

图2 其他gasdermins的作用

影响焦亡的各种因素的新见解

细菌影响免疫反应来操纵焦亡：福氏志贺氏菌通过分泌效应蛋白OspC3抑制caspase-4/11并介导精氨酸ADP-riboxanation阻断caspase-4/11的成熟，从而抑制GSDMD的裂解。进而抑制脂多糖诱导的焦亡，从而逃避宿主对细胞内革兰氏阴性菌的免疫机制。耶尔森氏菌分泌YopJ可以抑制TAK1，进一步激活RIPK1/caspase-8依赖性的焦亡。同时，YopJ还可以与RIPK1结合，在Rag-Ragulator复合物上发挥作用，介导caspase-1/11裂解GSDMD和caspase-3/7裂解GSDME。RACK1是一种内源性传感器蛋白，其可以在分枝杆菌诱导的免疫功能时诱导焦亡。研究表明，含溴结构域蛋白4(Brd4)是一种重要的转录激活因子，它可以通过招募PU.1来调节NAIP-NLRC4炎症小体的激活。PU.1和IRF8启动caspase-1的成熟和caspase-8的活化，终导致感染介导的炎症反应和焦亡（图3）。

图3 细菌会影响免疫反应来调节焦亡

病毒感染会触发或规避焦亡：CARD-8炎症小体是人类免疫细胞中的一种自然警报系统，是病毒复制和传播所需的一种特定蛋白。它可以识别出活化的HIV蛋白酶，HIV蛋白酶可以切割其n端以激活caspase-1和GSDMD，并触发焦亡以消除感染HIV的细胞。此外，SARS-CoV-2刺突蛋白可以与ACE2（angio-tensin converting enzyme 2）相互作用，导致合胞体的形成，激活caspase-9/3/7，导致GSDME的裂解。SARS-CoV-2的N蛋白可以在ComC（(complement cascade)）通路中发挥作用，该通路与MAC（membrane attack complex）协同直接激活NLRP3炎症小体。当SARS-CoV-2进入气道时，P2RX7受体由ATP介导，导致NLRP3激活。RAAS诱导血管紧张素II与AT1结合，在SARS-CoV-2感染的细胞中触发NLRP3炎症小体。最后，在H7N9病毒感染的细胞中，H7N9病毒将ssRNA注入细胞，可以触发gasdermin e依赖的焦亡（图4）。

图4 病毒感染触发或避免了病毒焦亡

细胞焦亡在抗癌治疗中的应用前景

最近的研究已经证明了焦亡作为抗肿瘤免疫机制的可行性和临床潜力，许多研究者正试图将焦亡与其他肿瘤治疗结合，通过调节焦亡可以抑制肿瘤细胞的增殖、迁移和侵袭来治疗癌症。化疗仍然是最常见的癌症治疗方式，因为化疗可以通过触发焦亡引起肿瘤细胞死亡。此外，最近还有一些新的靶点和传递方法，如嵌合抗原受体工程T细胞(CAR-T)、嵌合共刺激转换受体(CCCR)、免疫刺激、生物正交化学领域和表观遗传学方法，这些方法都能有效诱导肿瘤细胞焦亡（图5）。

图5 抗癌治疗中利用焦亡的治疗前景

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关于焦亡的科研思路

非编码RNA与焦亡的调控

非编码RNA（ncRNA）是一种不编码蛋白质的RNA，如rRNA、tRNA、siRNA、piRNA、snRNA、microRNA或lncRNA，ncRNA在疾病中的作用及其分子机制越来越受到人们的关注。当然ncRNA与焦亡关系密切。因为越来越多的证据表明，ncRNA 可以通过参与细胞焦亡来介导相关基因的转录或转录后调控。了解这些细胞焦亡相关的ncRNA对于疾病的发病机制、预防和治疗提供新的靶点和思路具有重要意义。

在下文的研究中2，作者通过 Pearson 相关分析从癌症基因组图谱（TCGA）数据库中获得了焦亡相关的lncRNA。接下来，作者使用LASSO 回归分析和多因素Cox回归分析构建了一个由 19 个焦亡相关lncRNA组成的signature。最后，作者进一步还评估了signature的预后价值以及与肿瘤微环境、免疫细胞浸润以及免疫疗法和化疗疗效的相关性，以期在临床上为头颈鳞癌患者的预后预测和治疗提供指导与帮助（图6）。

图6 研究流程图

多种程序性死亡相结合

细胞焦亡是程序性死亡(PCD)的一种，PCD是多种生理环境中必不可少的生物过程，包括胚胎发育、组织稳态的维持和宿主对病原体的免疫防御。与损伤后未编程的细胞破裂和裂解相反，PCD 由不同的分子信号通路控制，其参与机体中不需要的细胞或因感染或转化而受损的细胞的去除。研究发现，不同形式PCD具有不同的分子机制和死亡方式，各种形式的PCD之间又存在着相互作用和影响。

越来越多的证据表明，铁死亡和焦亡在低级别胶质瘤(LGG)的肿瘤发生中起着关键作用。在下文的研究中3，作者对LGG的分子亚型进行分类，并基于铁死亡和焦亡相关基因(FPRGs)来鉴定和验证一种新的LGG多基因特征。小编觉得比较有趣的是，作者是从TCGA数据库和我们的“国库”中国胶质瘤基因组图谱数据库（Chinese Glioma Genome Atlas databases）下载的LGG样本的原始测序数据及相应的临床数据。作者用预后相关的FPRGs对LGG患者的分子亚型进行分类，并利用FPRG特征来预测LGG患者免疫治疗的生存和获益。总之，FPRG特征可作为LGG患者预后预测和免疫治疗反应的有效指标（图7）。

图7 本研究的工作流程

细胞焦亡相关预后模型的思路

预后模型侧重于研究疾病在特定时间段内复发、死亡、伤残和并发症等结果发生的概率。这种模型在研究中非常常见。比如说，我们都知道对于恶性肿瘤，TNM分期系统是最具代表性的预测模型。TNM分期的最大优势在于它简单快捷，但最大的问题是预测不够准确，这与临床医生的期望值相差甚远。所以我们仍需要建立新的模型来指导病人的健康教育，预后管理，生活方式干预。另外预后模型还可以作为临床研究的替代结局指标。

在下面这项研究中4，作者根据预后相关的焦亡相关基因(PRG)将TCGA中的PAAD(胰腺癌)患者区分为四种亚型（使用共识聚类的方法）。并且构建了细胞焦亡评分（PP-score）来评估个体PAAD患者的细胞焦亡水平。此外，作者还开发了一个预后风险模型，该模型使用PRG来反映焦亡风险。总之，作者研究了细胞焦亡相关基因的预后价值以及细胞焦亡在肿瘤免疫微环境中的重要作用（图8）。

图8 PAAD中PRGs的拷贝数变化

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全文总结

细胞焦亡是一种由gasdermin介导的程序性细胞死亡形式，表现为细胞持续扩张直至细胞膜破裂，导致细胞内容物释放，从而激活强烈的炎症和免疫反应。由于其广泛参与疾病的发生与发展，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。近几年，细胞焦亡的研究热度迅猛上升，已成功吸引科学家们的眼球，一跃成为热门研究领域。本文为大家提供了关于焦亡的最新进展和相关的科研思路，希望能帮助到大家。

参考文献

1. Wei X, Xie F, Zhou X, et al. Role of pyroptosis in inflammation and cancer. Cell Mol Immunol Sep 2022;19(9):971-992.doi:10.1038/s41423-022-00905-x.

2. Zhou C, Shen Y, Jin Y, Shen Z, Ye D, Shen Y, Deng H. A novel Pyroptosis-related long non-coding RNA signature for predicting the prognosis and immune landscape of head and neck squamous cell carcinoma. Cancer Med May 14 2022.doi:10.1002/cam4.4819.

3. Wang J, Ren J, Liu J, Zhang L, Yuan Q, Dong B. Identification and Verification of the Ferroptosis- and Pyroptosis-Associated Prognostic Signature for low-grade Glioma. Bosn J Basic Med Sci Mar 9 2022.doi:10.17305/bjbms.2021.6888.

4. Li L, Deng Z, Xiao Z, Zou W, Liu R. Analysis of Pyroptosis-Related Signature for Predicting Prognosis and Tumor Immune Microenvironment in Pancreatic Cancer. Front Oncol 2022;12:770005.doi:10.3389/fonc.2022.770005.

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