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细胞焦亡及相关疾病的研究进展何明月;袁芳;刘映红【摘要】细胞焦亡是由Gasdermin蛋白介导的一种程序性炎性细胞死亡方式,分为依赖caspase-1的经典途径和依赖caspase-4/5/11的非经典途径.炎性小体的激活在此过程中扮演重要角色.细胞焦亡参与肾脏疾病、动脉粥样硬化、神经系统疾病、感染性疾病等的发生发展,并发挥重要作用.通过对细胞焦亡作用机制及相关疾病的研究,为临床疾病的防治提供新思路.【期刊名称】《基础医学与临床》【年(卷),期】2019(039)004【总页数】4页(P560-563)【关键词】细胞焦亡;炎性小体;caspase-1/4/5/11;GSDMD【作者】何明月;袁芳;刘映红【作者单位】中南大学湘雅医学院湘雅二医院肾内科,湖南长沙410011;中南大学湘雅医学院湘雅二医院肾内科,湖南长沙410011;中南大学湘雅医学院湘雅二医院肾内科,湖南长沙410011【正文语种】中文【中图分类】R34细胞焦亡(pyroptosis)是一种由GSDMD介导的细胞程序性坏死。
炎性小体(inflammasome)激活半胱天冬酶(caspase-1/4/5/11)，进而切割GSDMD,使其N端与C端分离，打破自抑制，通过正负电荷之间的相互作用，在细胞膜上通过寡聚体化形成蜂窝状的孔道(内径约10～14 nm)，产生水分内流、细胞膜内外离子梯度消失，细胞发生肿胀、渗透性溶解最终导致破裂死亡[1-2]。
细胞焦亡参与肾脏疾病、动脉粥样硬化、神经系统疾病、感染性疾病等的发病机制[3-6]，并发挥重要作用。
对细胞焦亡的深入研究已经成为近年来国际炎性反应领域的研究热点。
文章就细胞焦亡及相关疾病的研究进展进行综述。
1 Caspase-1或caspase-4/5/11切割GSDMD引起细胞焦亡1.1 细胞焦亡的“执行者”-GSDMDGSDMD属于功能未知的gasdermin蛋白家族，其他成员包括gasdermin A、gasdermin B、gasdermin C、DFNA5和DFNB59。
NLRP3炎症小体在炎症性肠病及炎症相关性肠癌作用中的研究进展胡韵1，2，陆军，王章桂(1.安徽理工大学医学院2018级临床检验诊断学专业;2.安徽理工大学第一附属医院检验科，安徽淮南232001；3.安徽省第二人民医院放疗科，安徽合肥230000)摘要：炎症小体是介导半胱氨酸蛋白酶-1(caspase-1)激活的多蛋白复合物,caspase-1可促进促炎性细胞因子-10(in-teleulin-10,IL-10)和促炎性细胞因子-18(inteleulin-18,IL-18)的分泌，从而导致细菌病原体的死亡。
在特定的微生物和内源性分子的刺激下可导致炎症小体的聚集和caspase-1的激活。
炎症小体被认为是介导宿主防御微生物病原体和肠道内组织稳态，其失调可能导致炎症性肠病及相关性肠癌。
本文就NLRP3炎症小体在炎症性肠病及炎症相关性肠癌作用中的研究进展进行综述，并探讨NLRP3炎症小体靶向治疗炎症性肠病及炎症相关性肠癌的可能治疗方向和靶点。
关键词：NLRP3炎症小体;炎症性肠病;炎症相关性肠癌;结直肠癌中图分类号：R475文献标识码：A文章编号：1001-7550(2021)02-0128-05炎症小体是细胞内组装成的一种多蛋白信号复合物，在受到外界刺激中特定的微生物成分和内源性分子刺激可导致炎症小体的组装和半胱氨酸蛋白酶前体(procaspase-1)活化，随后IL-10和IL-18前体(proIL-18)裂解成活性形式使细菌病原体诱导的吞噬细胞死亡［1］。
核苷酸结合寡聚化结构域样受体样受体(nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat containing receptor,NLR)家族成员NL-RP1.NLRP3和NLRC4.热蛋白(pryrin)、黑色素瘤缺乏因子2(absent in melanoma2,AIM2)等已被证实参与了炎症小体的组装过程［2-3］。
Caspase家族与细胞凋亡的关系一、本文概述细胞凋亡，也被称为程序性细胞死亡，是一种由基因控制的细胞自主有序的死亡方式。
它在生物体的发育、生长、平衡和稳态维持等过程中起着至关重要的作用。
在细胞凋亡的过程中，Caspase家族蛋白酶起着关键的角色。
本文旨在深入探讨Caspase家族与细胞凋亡之间的关系，包括Caspase家族的基本特性、它们在细胞凋亡中的功能机制，以及相关的调控网络和潜在应用。
我们将对Caspase家族进行简要的介绍，包括其成员的分类、结构特点以及活性调控等。
然后，我们将详细阐述Caspase家族在细胞凋亡过程中的关键作用，包括凋亡信号的接收、传递、放大和执行等阶段。
我们还将探讨Caspase家族与其他凋亡相关蛋白的相互作用，以及它们在细胞凋亡调控网络中的地位。
我们将展望Caspase家族在未来生物医学研究中的应用前景，特别是在癌症治疗、神经退行性疾病防治等领域中的潜在作用。
通过本文的阐述，我们期望能够更深入地理解Caspase家族与细胞凋亡的关系，为未来的生物医学研究提供有益的参考和启示。
二、Caspase家族概述细胞凋亡，也称为程序性细胞死亡，是生物体内一种至关重要的生理过程，负责维持机体的稳态，去除受损或不需要的细胞。
在这一过程中，Caspase家族扮演着核心的角色。
Caspase，全称为半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶（Cysteine-dependent Aspartate-directed Proteases），是一组存在于细胞质中的半胱氨酸蛋白酶，具有特定的天冬氨酸切割位点。
Caspase家族成员众多，按其功能和在凋亡过程中的作用，可以分为启动型Caspase（也称为上游Caspase，如Caspase-2, -8, -9, -10）和执行型Caspase（也称为下游Caspase，如Caspase-3, -6, -7）。
启动型Caspase在凋亡信号刺激下首先被激活，然后它们会激活执行型Caspase。
科研的成功之路（pathway）上绕不过去的靶点—caspase！订阅号APExBIO5月1，Nature在线刊登了北京生命科学研究所（NIBS）邵峰院士组的一篇名为“Chemotherapy drugs induce pyro ptosis through caspase-3 cleavage of a Gasdermin”的研究性论文，该研究揭示了化疗药物诱导的细胞焦亡是通过活化的caspase-3对Gasdermin E（GSDME）的切割完成的。
GSDME在很多癌细胞中不表达或低表达而在正常组织中高表达，该研究发现化疗药物通过GSDME介导的细胞焦亡会杀死一些正常的细胞，而Gsdme-/- 基因敲除的小鼠可以免受化疗药物带来的组织损伤和体重减轻，为癌症化疗提出了全新见解。
“中国最年轻院士”邵峰，图片来源于网络细胞焦亡（pyroptosis或pyroptotic cell death）又称细胞炎性坏死，是一种程序性细胞坏死，表现为细胞不断胀大直至细胞膜破裂，导致细胞内容物的释放进而激活强烈的炎症反应。
细胞焦亡的形态学特征、发生及调控机制等均不同于凋亡、坏死等其它细胞死亡方式。
细胞焦亡是机体一种重要的天然免疫反应，在抗击感染中发挥重要作用。
过度的细胞焦亡会诱发包括败血症在内的多种炎症和免疫性疾病。
目前认为，细胞焦亡由包括caspase-1和caspase-4/5/11在内的炎性caspase活化而诱发。
Caspase-1在病原信号诱导形成的炎症小体复合物作用下被激活；邵峰实验组之前的研究证实caspase-4/5/11是细菌脂多糖（LPS，又称内毒素）的胞内受体，在结合LPS后发生寡聚而被活化。
然而，20多年来人们对于炎性caspase如何诱导细胞焦亡的机理一直完全不清楚。
直到2015年，来自邵峰课题组和美国Genentech的研究人员发现了caspase 诱导细胞焦亡的机制，即发现了一个所有炎性caspase1/4/5/11的共同底物蛋白GSDMD，炎性caspase通过切割GSDMD释放其N端结构域而引发细胞焦亡。
caspass1通路调控机制
Caspase 1 是一种重要的炎症相关蛋白酶，参与调节炎症反应和免疫应答。
Caspase 1的活性受到多种机制的调控。
1. 转录调控：Caspase 1基因的表达受到多个转录因子的调控，如NF-κB、AP-1等，它们能够结合在Caspase 1基因的启动子区域上，促进或抑制Caspase 1的转录。
2. 翻译后修饰：Caspase 1的活性可以通过翻译后修饰来调控。
例如，Caspase 1的自我断裂（autocleavage）是其激活的重要步骤之一，这一过程受到其他蛋白酶的调控，如Caspase 8、Caspase 11等。
3. 组蛋白修饰：组蛋白修饰也参与了Caspase 1的调控。
研究表明，组蛋白去乙酰化修饰酶（HDACs）和组蛋白甲基转移酶（HMTs）可以调控Caspase 1特定位点上的甲基化、乙酰化等修饰，从而影响Caspase 1的活性和功能。
4.反式调控：一些信号通路分子可以与Caspase 1发生反式调控，调节Caspase 1的活性与功能。
例如，NLRP3炎症小体信号通路被认为是Caspase 1激活的一个重要启动机制。
总的来说，Caspase 1的活性和表达受到多种机制的调控，包括转录调控、翻译后修饰、组蛋白修饰和反式调控等。
这些调控机制的研究有助于深入了解炎症反应和免疫应答的调控机制，并有望为相关疾病的治疗提供新的治疗策略。
Caspase-1调控单核—巨噬细胞分化的效应及机制巨噬细胞是单核吞噬细胞系统中的重要成员,在天然免疫和获得性免疫中都发挥着重要作用。
体内巨噬细胞的来源包括单核细胞起源的巨噬细胞、原位增殖而生成的巨噬细胞以及卵黄囊巨噬细胞来源的巨噬细胞,其中单核细胞起源的巨噬细胞是组织巨噬细胞的主要来源。
在机体稳态或发生炎症的时候,单核细胞都能在微环境中一些因子的调控下向巨噬细胞分化。
单核-巨噬细胞分化过程的紊乱与多种疾病的发生发展密切相关,如自身免疫疾病、自身炎症性疾病、代谢性疾病以及肿瘤等。
因此,对于单核-巨噬细胞分化过程相关调控及分子机制的研究一直以来都是免疫学领域的热点。
Caspase-1是caspases家族中与炎症密切相关的一个成员,对于巨噬细胞的功能具有关键的调控作用。
Caspase-1缺失的巨噬细胞释放炎症因子IL-1p和IL-18的能力显著下降;同时caspase-1还能调控巨噬细胞由M2型到M1型的极化。
此外,caspase-1也能参与细胞分化程序的控制。
Caspase-1能够通过调控IL-1p的加工、释放而控制脂肪细胞和Th17细胞的分化。
但是,对于caspase-1在单核-巨噬细胞分化中的功能我们还知之甚少。
基于caspase-1广泛的生物学功能及其在单核细胞、巨噬细胞的核心地位,caspase-1在单核-巨噬细胞的分化过程中也具有重要的调控功能。
在本研究中,我们通过构建体外诱导人单核细胞白血病细胞株(THP-1、U937)或人外周血单核细胞(PBMCs)向巨噬细胞分化的模型,深入探讨了 caspase-1对于单核-巨噬细胞分化过程的调控效应以及所涉及的分子机理,主要研究内容和结果如下:1.我们运用PMA成功诱导THP-1和U937细胞向巨噬细胞分化,并通过分析此过程中细胞形态、表面标志分子(markers)及吞噬功能的变化情况而将单核-巨噬细胞的分化过程分为早期和晚期两个阶段。
2.我们发现caspase-1在THP-1和U937细胞中呈组成型的高表达;然而随着分化的进行其活性不断升高,并伴随有IL-1β和IL-18的释放。
生命科学Chinese Bulletin of Life Sciences第18卷 第5期2006年10月Vol. 18, No. 5Oct., 2006炎症Caspase 与相关疾病马学琴1，张亚辉2，周忠良1,李 佳2*（1华东师范大学生命科学学院，上海200062；2中国科学院上海生命科学研究院药物研究所国家新药筛选中心，上海 201203）摘 要：C a s p a s e 家族是一类与细胞凋亡和炎症反应重要相关的蛋白酶，其中与炎症相关的主要有Caspase-1、-4、-5、-11、-12，总称为炎症Caspase ，主要与促炎症细胞因子IL-1的产生有关。
IL-1处于免疫反应的上游，能刺激多种炎症细胞因子和多种效应分子的产生，引起神经细胞凋亡和毒性、关节疼痛和损伤、肝细胞凋亡、急性胰腺炎等与炎症相关疾病。
因此，抑制炎症C a s p a s e 对治疗炎症相关疾病有重要意义。
关键词：炎症Caspase ；IL-1β；IL-18；炎症相关疾病；Caspase-1抑制剂中图分类号：Q556.9; R741 文献标识码：AInflammatory Caspase and diseasesMA Xue-Qin 1, ZHANG Ya-Hui 2, ZHOU Zhong-Liang 1, LI Jia 2*(1 School of Life Sciences, East China Normal University, Shanghai 200062, China;2 National Center for Drug Screening, Shanghai Institute of Medical Material, Shanghai Institutes for BiologicalSciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201203, China)Abstract: Caspase is a family related to apoptosis and inflammatory response. In this family, Caspase-1, -4, -5,-11, -12 are nominated inflammatory caspases which are mainly related to inflammatory response. Inflammatory Caspases are responsible for the processing of pro-inflammatory cytokine IL-1. IL-1, as a upstream of immune response, can stimulate many inflammatory cytokines and effects, and then induce inflammatory diseases, such as neuron apoptosis and cytotoxicity, joint destruction and pain, apoptosis of liver cell, acute pancreatitis, etc.Therefore, it is very important for the treatment of inflammatory diseases to inhibit the inflammatory Caspases activities.Key words: inflammatory Caspase; IL-1β; IL-18; inflammatory diseases; Caspase-1 inhibitors收稿日期：2006-01-06；修回日期：2006-02-22基金项目：中国科学院知识创新工程战略行动计划重大项目(Grant KSCX1-SW-11-2)作者简介：马学琴(1980—)，女，硕士研究生；张亚辉(1976—)，女，硕士，助理研究员；周忠良(1957—)，男，博士，副教授；李 佳(1971—)，男，博士，研究员，博士生导师，*通讯作者。
文章编号 ：1004-0374(2006)05-0452-05Caspase 家族是一类与细胞凋亡和炎症反应重要相关的蛋白酶，该家族14个成员之间同源性很高，结构相似。
根据结构和功能的不同，可把Caspase 家族分为三类：凋亡启动组(apoptotic initiators)、凋亡执行组(apoptotic executioners)和炎症反应组(inflammatory mediators)。
凋亡启动组由Caspase-2、-8、-9、-10组成，位于凋亡过程上游；凋亡执行组由Caspase-3、-6、-7组成，这类蛋白酶直接切割细胞内有重要作用的底物蛋白，引起细胞凋亡发生；炎症反应组由人源Caspase-1、-4、-5及鼠源Caspase-11、-12组成，称为炎症Caspase 。
目前只有在脊椎动物体内发现炎症Caspase ，453第5期马学琴，等：炎症Ca sp as e与相关疾病其在体内最主要的底物是无活性的白介素-1β(interlukin-1β，IL-1β)和白介素-18 (interlukin-18，IL-18)前体，使其成为成熟有活性的细胞因子。
在Caspase家族中只有炎症Caspase才可以切割这两种细胞因子前体，其中的Caspase-1是哺乳动物体内剪切促炎症细胞因子IL-1β和IL-18的特异有效的蛋白酶[1]。
IL-1β和IL-18都属于IL-1家族，具有相似的结构，剪切后的成熟形式释放到胞外后具有广泛的生物活性，如在机体对感染、损伤、免疫原的系统或局部的应答中起重要作用，也是慢性或急性炎症反应的主要介导因子。
因此，将切割IL-1β和IL-18的Caspase称为炎症Caspase。
过量的IL-1打破正常机体的促炎症细胞因子和抑炎症细胞因子之间的平衡，介导病原微生物入侵、炎症发生、机体发热、组织损伤的发生。
很多研究也证明IL-1能诱导和激活很多分子，如磷酸酯酶A2、花生四烯酸环氧合酶(COX)、一氧化氮(NO)、β-淀粉样前体蛋白(βAPP)、促肾上腺皮质激素等[2]，因此，IL-1含量增加会引起关节组织破坏、神经系统炎症、胰腺炎等疾病。
IL-18则能刺激脾细胞产生IFN-γ，诱导其他促炎症细胞因子的产生、上调黏附分子、激活自然杀伤细胞的活性。
因此，在机体炎症反应过度的情况下，抑制炎症Caspase蛋白酶已成为治疗炎症相关疾病的新方向。
以下主要介绍炎症Caspase家族各组成成员的特点、功能以及与其相关的各种疾病。
1 炎症Caspase家族Caspase-1是炎症Caspase家族中研究最为透彻的蛋白酶，存在于哺乳动物体内，主要由单核细胞合成，可以将31kDa的IL-1β前体在位点Tyr-Val-His-Asp116/Ala117处剪切，形成17kDa的成熟的IL-1β，还能在人源IL-18前体Asp36处剪切，使其成为成熟的细胞因子。
在Ca spase-1缺陷型小鼠中，不能检测到成熟有活性的IL-1β和IL-18的产生，而且这种小鼠对内毒素耐受[3]。
经脂多糖(LPS)诱导的Caspase-1缺陷型小鼠同样不能产生IL-6、TNFα和IFN-γ。
这可能是由于IL-1的信号转导途经最终引起NF-κB的激活，NF-κB启动多种与炎症相关的黏附分子和下游细胞因子的转录[4]。
尽管Caspase-1主要与炎症的发生有关，但也有实验证明其与细胞凋亡有关：过表达Caspase-1的COS细胞有明显的膜内陷、核固缩、DNA片断化等凋亡现象，而共表达Caspase-1和CrmA (牛痘病毒产生的抑制Caspase-1的蛋白)则能阻止COS细胞的凋亡；Caspase-1还能剪切多聚“ADP”-核糖聚合酶(poly“ADP-ribose” polymerase, PARP)，这是一种稳定和修复DNA的酶[5]。
这些证据表明了其在促进细胞凋亡中的作用。
除此以外，Caspase-1还与骨骼肌的分化以及细胞的迁移有关[6]。
Caspase-4和Caspase-5是Caspase家族中同源性最高的两个蛋白酶(达75%)，与Caspase-1的同源性也都高达50%，这三者都能剪切IL-1β前体，但切割能力并不一致：Caspase-1能特异高效的切割；caspase-4相对较弱；而Caspase-5识别剪切位点能力最差[7]。
然而，在其他蛋白的参与下Caspase-5能够与Caspase-1形成称为炎症体的复合体，在此平台上两者都被激活，并且共表达Ca spase-1与Caspase-5后切割 IL-1β前体的能力增强[8]。
Caspase-4和Caspase-5除了与细胞因子的产生有关外，还与细胞凋亡有关，如在COS细胞中过量表达Caspase-4和Caspase-5，都能引起细胞的凋亡，在Fas诱导的Hela细胞凋亡中，Caspase-4被激活，而过表达突变的Caspase-4或者注射抗Caspase-4的抗体能延迟Fas诱导的凋亡过程。
这说明Caspase-4可能在Fas引起的细胞凋亡通路中起着一定的作用[9]。
鼠源的Caspase-11是除Caspase-1之外另一个研究比较清楚的炎症Caspase蛋白酶。
与Caspase-1一样，敲除Caspase-11基因的小鼠不能产生成熟的IL-1β和IL-18细胞因子，同时，Caspase-1也不能被激活，表明Caspase-11可能处于Caspase-1的上游[10]。
Kang等[11]报道，在小鼠的脓血症动物模型中，Caspase-11既能剪切Caspase-1，也能剪切Caspase-3，说明Caspase-11在凋亡和炎症的发生上起着双重作用。
人源C a s p a s e-5可能是与鼠源Caspase-11的相对应的同源物：与其他Caspase家族蛋白相比两者氨基酸序列同源性高达54%，而且两者在很多正常的组织中表达量都很低，LPS能上调两者基因和蛋白的表达水平，这表明Caspase-5与Caspase-11都是在转录或者翻译过程中在刺激物的作用下被调节的[7]。
Caspase-12的研究主要集中于鼠源Caspase-12与内质网应激的关系，普遍认为其在内质网应激引起的细胞凋亡中起着重要作用。
有文献报道在小鼠体内Caspase-12诱导了内质网应激引起的Aβ含量升高，因而可能参与了阿尔茨海默症(Alzheimer’s Disease)的病理进程。
