細(xì)胞焦亡與腎臟疾病

王 慧 綜述 劉志紅 審校

程序性細(xì)胞死亡是生物體發(fā)育過程中普遍存在的一種由基因決定的細(xì)胞主動、有序的自殺式保護措施，是指機體受內(nèi)外環(huán)境因子刺激時，在基因調(diào)控下去除體內(nèi)非必需或即將發(fā)生特化的細(xì)胞。程序性細(xì)胞死亡主要包括凋亡、自噬、焦亡等。焦亡是新近發(fā)現(xiàn)的一種細(xì)胞死亡途徑，又稱細(xì)胞炎性壞死，發(fā)生于微生物感染(如沙門氏菌、軍團菌和弗朗西斯菌)和非感染性刺激(如心肌梗塞產(chǎn)生的內(nèi)源性因子)時，通過激活半胱天冬酶1(caspase-1)從而激活炎性因子白細(xì)胞介素1β(IL-1β)和IL-18，還具有細(xì)胞裂解和釋放炎性細(xì)胞內(nèi)容物的特征，因此焦亡本質(zhì)上是促炎的過程。

焦亡是由caspase-1介導(dǎo)的細(xì)胞自我破壞的程序化過程，其caspase-1依賴性細(xì)胞死亡的機制、特征與凋亡不同，促炎性是區(qū)分其與凋亡的重要因素。細(xì)胞死亡命名委員會認(rèn)為焦亡是一種混合凋亡和壞死特征的非典型細(xì)胞死亡［1］。

焦亡的機制

焦亡是脊椎動物的先天免疫效應(yīng)機制之一［2］，依賴于模式識別受體(PRRs)監(jiān)測微生物產(chǎn)物或內(nèi)源性致病因子，進而破壞病原體復(fù)制表位并通過孔誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)陷阱(PIT)直接殺死細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌。焦亡是一種炎癥性宿主反應(yīng)，多種刺激因子可切割并激活caspase-1，快速形成直徑為1.1～2.4 nm的質(zhì)膜孔，導(dǎo)致水流入、細(xì)胞膨脹和滲透溶解。caspase-1激活是焦亡的重要始動因素。

圖1 炎癥小體的構(gòu)成［6］

caspase-1激活 Nod樣受體(Nlrs)可識別細(xì)菌、病毒和宿主分子及有毒外來產(chǎn)物，激活caspase-1，進而觸發(fā)焦亡和 IL-1β、IL-18釋放。炎癥小體是caspase-1活化的分子平臺，控制炎癥反應(yīng)并協(xié)調(diào)抗微生物宿主防御，在檢測到危險信號后由PRRs募集必要成分并組裝，從而激活caspase-1以誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡(表1)。以焦亡中最常見的含有NACHT、LRR和pyrin(PYD)結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)3(NLRP3)為例(圖1)［6］，在受到感染或特殊免疫攻擊后，NLRP3 通過PYD結(jié)構(gòu)域與凋亡相關(guān)斑點樣蛋白銜接蛋白(ASC)結(jié)合，而ASC含有 caspase-1激活和募集結(jié)構(gòu)域(CARD)，可募集并激活caspase-1。

caspase-1的下游機制 先前研究推測caspase-1可能切割多種底物以驅(qū)動焦亡，隨后兩項研究確定GSDMD蛋白是炎性半胱天冬酶的關(guān)鍵焦亡底物。Shi等［7］利用全基因組聚集的規(guī)則間隔回文重復(fù)(CRISPR)-CRISPR相關(guān)9(Cas9)核酸酶篩選caspase-11和caspase-1介導(dǎo)的小鼠骨髓巨噬細(xì)胞焦亡，從而鑒定出 GSDMD;Kayagaki等［8］用乙基-N-亞硝基脲誘變小鼠正向遺傳篩選將GSDMD與細(xì)胞內(nèi)LPS反應(yīng)相聯(lián)系，將GSDMD鑒定為caspase-11的關(guān)鍵靶標(biāo)，且是宿主對革蘭陰性細(xì)菌反應(yīng)的關(guān)鍵介質(zhì)。GSDMD在不同組織和細(xì)胞中廣泛表達，且在胃腸上皮細(xì)胞中高水平表達［9］，這表明焦亡可能并不局限于巨噬細(xì)胞。GSDMD在哺乳動物中高度保守，含兩個結(jié)構(gòu)域，N-末端GSDMD-N和C-末端GSDMD-C，二者通過包含炎性胱天蛋白酶切割位點的長環(huán)連接，caspase-1和caspase-4/5/11特異性切割GSDMD N端與C端之間的接頭，這是焦亡發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［7］，隨后GSDMD-N分裂并移位到細(xì)胞膜;細(xì)胞內(nèi)LPS刺激巨噬細(xì)胞也導(dǎo)致GSDMD-N定位于質(zhì)膜［10］。

表1 炎癥小體的種類

研究發(fā)現(xiàn)GSDMD-N在哺乳動物細(xì)胞中的表達足以誘導(dǎo)焦亡，而由于GSDMD-C對GSDMD-N的抑制性結(jié)合，全長 GSDMD 無活性［7，10］。293T 細(xì)胞的免疫共沉淀實驗證明，作為單獨構(gòu)建體的GSDMD-C和GSDMD-N也可形成穩(wěn)定相互作用。此外，這種相互作用也足以抑制GSDMD-N的細(xì)胞毒性，因為GSDMD-C的過表達可防止由LPS誘導(dǎo)的HeLa細(xì)胞中 GSDMD裂解引發(fā)的細(xì)胞毒性［7］。因此，GSDMD是一種通常以自身抑制狀態(tài)存在的成孔蛋白。

促炎性是焦亡的重要特性。除切割GSDMD外，焦亡過程中 caspase-1激活并分泌 IL-1β和IL-18，均在機體炎癥反應(yīng)和自身免疫疾病的發(fā)病機制中起關(guān)鍵作用。IL-1β是有效的內(nèi)源性熱原，可刺激發(fā)熱、白細(xì)胞組織遷移、多種細(xì)胞因子和趨化因子的表達，是許多慢性疾病的關(guān)鍵細(xì)胞因子，如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、阿爾茨海默病、白血病、糖尿病、牙周炎等;IL-18誘導(dǎo)γ干擾素(IFNγ)的產(chǎn)生，對T細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等激活很重要［11］;IL-18參與自身免疫疾病(如糖尿病、多發(fā)硬化癥、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎)、炎癥性組織損傷(如移植物抗宿主病、克羅恩病)、全身性炎癥性疾病(如內(nèi)毒素休克、哮喘)等［11］。盡管細(xì)胞死亡不需要這兩種細(xì)胞因子，其釋放有助于促進焦亡所引起的炎癥反應(yīng)。

然而，caspase-1的激活并不能在所有細(xì)胞中引發(fā)焦亡，上皮細(xì)胞可激活caspase-1來防止細(xì)胞死亡。受成孔毒素aerolysin和α-毒素的刺激，caspase-1的激活刺激脂質(zhì)生成和膜修復(fù)，此時caspase-1活性的抑制增強了細(xì)胞裂解［12］。這表明在某些條件下，caspase-1的激活可參與細(xì)胞存活機制。caspase-1低水平激活可刺激細(xì)胞存活反應(yīng)，調(diào)控細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌生長和炎性細(xì)胞因子產(chǎn)生;caspase-1活化超過閾值時，細(xì)胞發(fā)生焦亡并釋放炎性細(xì)胞內(nèi)容物。

除caspase-1外，還有其他成員參與焦亡。2011年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的獲獎成果表明，Toll樣受體4(TLR-4)可介導(dǎo)LPS誘導(dǎo)的死亡;但隨后開發(fā)TLR-4拮抗劑作為治療膿毒性休克方法的研究卻未獲成功;2013年兩項研究報道了一種不涉及TLR-4的非經(jīng)典炎癥途徑，該途徑涉及caspase-11激活的未知機制的胞內(nèi)LPS監(jiān)測，揭示了上述臨床試驗療效不佳的可能性［13－14］，也預(yù)示 caspase-11 參與LPS引發(fā)焦亡的可能性。有研究表明細(xì)胞凋亡相關(guān)半胱天冬酶不參與焦亡，包括 caspase-3、caspase-6和 caspase-8等［1］，然而，2017 年一項研究表明GSDME可被caspase-3切割從而將TNFα或化療藥物誘導(dǎo)及caspase-3介導(dǎo)的凋亡轉(zhuǎn)變?yōu)榻雇觯?5］。

現(xiàn)今研究認(rèn)為焦亡機制如下:Nlrs識別細(xì)菌、病毒和宿主內(nèi)源性分子及有毒外來物，誘發(fā)炎癥小體的組裝，從而刺激下游caspase-1的激活，而caspase-1的激活一方面切割GSDMD產(chǎn)生成孔性GSDMD-N以誘發(fā)焦亡，另一方面使炎癥因子IL-1β及IL-18成熟并釋放，加重炎癥反應(yīng)。

焦亡與腎臟疾病

缺血再灌注損傷(IRI)和缺氧復(fù)氧損傷(HRI)研究表明［16］，焦亡在IRI中起重要作用。在IRI 6h后，焦亡相關(guān)蛋白(包括caspase-1、caspase-11和IL-1β)的水平顯著增加，并在12h達到峰值，此過程伴隨腎臟結(jié)構(gòu)破壞和腎臟功能損傷加重。HRI也可誘導(dǎo)腎小管上皮細(xì)胞的焦亡，特征性表現(xiàn)為孔形成增多和乳酸脫氫酶釋放升高。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激在腎臟焦亡中發(fā)揮重要作用，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激生物標(biāo)志物葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78和C/EBP同源蛋白(CHOP)的上調(diào)先于IRI或HRI處理的細(xì)胞中焦亡的發(fā)生。此外，用低劑量內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)劑衣霉素進行預(yù)處理，可減少IRI誘導(dǎo)的焦亡和腎組織損傷;通過小干擾RNA沉默CHOP可降低caspase-11的活性和IL-1β的產(chǎn)生，故而顯著降低HRI誘導(dǎo)的腎小管上皮細(xì)胞的焦亡。以上研究結(jié)果表明過度激活的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激所觸發(fā)的CHOP-caspase-11可能是焦亡介導(dǎo)IRI或HRI損傷的重要途徑［16］。

除內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激外，其他因素也調(diào)節(jié)IRI或HRI中的焦亡。miRNA-155在IRI時顯著升高，并通過下調(diào)叉頭盒蛋白O3a(FOXO3a)和下游具有半胱天冬酶募集域的細(xì)胞凋亡抑制因子(ARC)而在焦亡中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，導(dǎo)致caspase-1和促炎分子表達上調(diào)［17］;β-羥基丁酸通過增加FOXO3表達來抑制焦亡，從而減輕腎臟IRI［18］;血管內(nèi)皮生長因子可減輕大鼠中與同種異體腎移植IRI損傷相關(guān)的遠端肝臟組織中組蛋白誘導(dǎo)的焦亡［19］。

腎臟細(xì)胞死亡和炎癥可能影響急性腎損傷(AKI)的嚴(yán)重程度和預(yù)后，腎臟及尿液中IL-1β和IL-18水平可預(yù)測 AKI的進展［16］。

腎臟纖維化 單側(cè)輸尿管梗阻(UUO)模型中，氧化應(yīng)激和炎癥可能會引起細(xì)胞焦亡［20］，UUO模型中腎血流量降低且活性氧(ROS)增加，在UUO模型建立3d后caspase-1和IL-1β增加，而Nrf-2信號的激活可抑制UUO所誘導(dǎo)的焦亡;與野生型小鼠相比，NLRP3缺失小鼠在UUO后具有較少的腎小管損傷、炎癥和纖維化［21］;單側(cè)腎損傷患者慢性腎功能衰竭的進展與對側(cè)腎功能喪失有關(guān)，其分子機制也涉及焦亡;與正常對照大鼠相比，UUO大鼠對側(cè)腎臟焦亡細(xì)胞數(shù)明顯增加，且腎臟中NLRP3、caspase-1、IL-1β也明顯上調(diào)，依普利酮可改善焦亡［22］;微管相關(guān)蛋白1S介導(dǎo)的自噬可促進纖維連接蛋白的轉(zhuǎn)換并抑制正常腎細(xì)胞的焦亡和炎癥反應(yīng)，從而抑制腎臟纖維化［23］。

狼瘡性腎炎(LN)和糖尿病腎病(DN) 研究表明，腎臟中參與焦亡的基因(如NLRP3和caspase-1)的表達隨LN的進展顯著增加［24］;此外，胡椒堿通過靶向作用于AMPK而顯著抑制NLRP3炎癥小體的激活和促炎細(xì)胞因子的釋放，阻斷腎小管上皮細(xì)胞的焦亡，從而抑制LN的發(fā)展［25］。

研究發(fā)現(xiàn)，與對照組患者相比，DN患者的P2X4、NLRP3、IL-1β 和 IL-18 升高［26］;近端小管細(xì)胞系的體外培養(yǎng)實驗顯示，高濃度葡萄糖刺激后，NLRP3表達及IL-1β、IL-18、ATP的釋放均增加，說明ATP-P2X4信號介導(dǎo)高葡萄糖誘導(dǎo)的NLRP3炎癥小體激活和疾病進展［27］。體內(nèi)外實驗證明，抑制長非編碼RNA MALAT1的表達可通過下調(diào)ELAV樣RNA結(jié)合蛋白1、NLRP3、caspase-1和IL-1β從而降低高糖誘導(dǎo)的腎小管上皮細(xì)胞焦亡［28］。

藥物及造影劑相關(guān)腎臟損害

AKI是膿毒癥的常見并發(fā)癥。過多ROS的產(chǎn)生通過異常信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、炎性單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞浸潤、細(xì)胞功能障礙和腎細(xì)胞死亡導(dǎo)致AKI。LPS可通過TLR2和TLR4誘導(dǎo)全身炎癥反應(yīng)，進而誘發(fā)AKI。焦亡是LPS造成腎臟損傷的機制之一，唾液酸可通過抑制TLR4/PKC/gp91介導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、細(xì)胞凋亡、自噬和焦亡信號來逆轉(zhuǎn) LPS誘導(dǎo)的AKI［29］;醛 固 酮 鹽 引 起 腎 臟 炎 癥 涉 及 焦 亡，且caspase-1激活在其中起重要作用，該過程涉及pro-IL-1β、NLRP3表達的增加及線粒體功能障礙，通過形成NLRP3炎癥小體來誘導(dǎo)caspase-1活化，免疫抑制劑咪唑立賓可減輕腎臟炎癥和細(xì)胞焦亡［30］。

焦亡在造影劑誘發(fā)的AKI中也起重要作用，造影劑引起嚴(yán)重的腎小管上皮細(xì)胞焦亡，由人caspase-4/5和小鼠caspase-11介導(dǎo)［31］;在鎘誘導(dǎo)的近端腎小管以破壞為主的腎損傷中，焦亡也起著重要作用，且在人腎小管上皮細(xì)胞中，NAD依賴性蛋白質(zhì)脫乙酰酶Sirtuin-1通過X盒結(jié)合蛋白1(XBP-1s)的去乙?；筛纳奇k誘導(dǎo)的焦亡［32］;草酸鈣誘導(dǎo)的腎結(jié)石中，長非編碼RNA LINC00339通過調(diào)節(jié)miR-22-3p/NLRP3軸來促進腎小管上皮細(xì)胞焦亡［33］。

焦亡還參與了其他腎臟疾病。HIV相關(guān)腎病小鼠模型中，HIV通過NLRP3炎癥小體在T淋巴細(xì)胞中誘導(dǎo)焦亡，HIV轉(zhuǎn)基因小鼠中 NLRP3、ASC、caspase-1和IL-1β增加，且血清中IL-1β濃度也增加。HIV在足細(xì)胞中通過caspase-1的激活來以劑量和時間依賴性方式誘導(dǎo)焦亡;ROS產(chǎn)生和鉀流出有助于HIV誘導(dǎo)的焦亡和足細(xì)胞中NLRP3炎癥小體的激活［34］。

以上研究提示，焦亡在多種腎臟疾病中發(fā)揮了作用，且該過程涉及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等。

小結(jié):細(xì)胞焦亡現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使人們對細(xì)胞程序性死亡有了進一步的認(rèn)識，隨著對焦亡在不同病理生理情況下的發(fā)生機制的深入研究，通過調(diào)控焦亡來抑制炎癥免疫反應(yīng)正在受到越來越多的關(guān)注。焦亡可見于多種腎臟疾病，進一步闡明焦亡在特定腎臟疾病發(fā)生發(fā)展中的作用，有助于推進這一領(lǐng)域的發(fā)展和對腎臟疾病的認(rèn)識。