焦亡的分子機(jī)制及其在血液腫瘤中的研究進(jìn)展

鄭 虹， 趙明一， 楊明華

根據(jù)細(xì)胞死亡的分子機(jī)制特點(diǎn)，細(xì)胞死亡命名委員會(Nomenclature Committee on Cell Death，NCCD)于2018年將細(xì)胞死亡分為凋亡、壞死、程序性壞死、焦亡和鐵死亡等[1]。近來，在各種細(xì)胞死亡方式中，焦亡受到越來越多的關(guān)注。NCCD將其劃分為程序性細(xì)胞死亡(programmed cell death,PCD)的一種：經(jīng)炎癥性Caspase激活啟動，由Gasdermin蛋白家族形成質(zhì)膜孔介導(dǎo)產(chǎn)生。焦亡的研究始于20世紀(jì)90年代。1992年，Zychlinsky等[2]首先發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞焦亡現(xiàn)象，他們觀察到福氏志賀菌感染的巨噬細(xì)胞中有一種溶解形式的細(xì)胞死亡。由于這種細(xì)胞死亡與凋亡非常相似，因此在當(dāng)時被誤認(rèn)為是“細(xì)胞凋亡”。1997年，Hilbi等[3]發(fā)現(xiàn)福氏志賀菌可以激活宿主細(xì)胞中的Caspase-1。1999年，Hersh等[4]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，敲除Caspase-1后，可以阻斷該種細(xì)胞死亡。2001年，Cookson和Brennan[5]發(fā)現(xiàn)這種細(xì)胞死亡明顯區(qū)別于凋亡，并將其正式命名為焦亡(pyroptosis)。在那之后，關(guān)于焦亡的研究逐漸增加。2015年，第一個焦亡相關(guān)蛋白——Gasdermin-D(GSDMD)被發(fā)現(xiàn)。研究[6～8]顯示，GSDMD蛋白被Caspase-1/4/5/11裂解，釋放N端片段，轉(zhuǎn)移至胞膜形成孔道，從而引起細(xì)胞焦亡。隨著研究的深入，其他的Gasdermin家族成員，如GSDMA、GSDMB、GSDMC、DFNA5/GSDME和DFNB59等逐漸被發(fā)現(xiàn)[8,9]。Wang等[7]證實(shí)，GSDME在Caspase-3的作用下裂解釋放N端片段也能誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡，其機(jī)制與GSDMD誘導(dǎo)焦亡是類似的。此外，2018年有研究表明，在耶爾森氏菌感染的過程中，Caspase-8可誘導(dǎo)GSDMD裂解，從而導(dǎo)致細(xì)胞焦亡[10,11]。Kambara等[12]報道中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶(neutrophil elastase，NE)能裂解GSDMD，誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞焦亡。2020年，Liu等[13]發(fā)現(xiàn)在嵌合抗原受體(chimeric antigen receptor，CAR)T細(xì)胞治療過程中，腫瘤細(xì)胞的焦亡會觸發(fā)細(xì)胞因子釋放綜合征(cytokine release syndrome，CRS)。細(xì)胞焦亡研究的時間表見圖1，細(xì)胞焦亡的分子機(jī)制見圖2。焦亡與多種人類疾病密切相關(guān)，其中包括血液腫瘤。深入研究焦亡的機(jī)制及其與血液腫瘤的關(guān)系，將拓寬我們對血液腫瘤的認(rèn)識。本文綜述了焦亡的機(jī)制及其在血液腫瘤中的研究進(jìn)展，為焦亡和血液腫瘤的后續(xù)研究提供參考。

圖1 焦亡研究進(jìn)展圖

圖2 焦亡的分子機(jī)制圖

1 焦亡的信號通路

1.1炎癥小體的活化 炎癥小體是一種多分子復(fù)合體，其重要組成部分是模式識別受體(pattern recognition receptors，PRRs)，即膜相關(guān)受體樣激酶或受體樣蛋白[14]。PRRs可以識別多種病原體相關(guān)分子模式(pathogen-related molecular patterns，PAMPs)和損傷相關(guān)分子模式(damage-related molecular patterns，DAMPs)[15]。在識別PAMPs和DAMPs后，PRRs直接或通過凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(apoptosis-related spot-like protein,ASC)募集Caspase-1[16]。經(jīng)典途徑由Caspase-1介導(dǎo)，而非經(jīng)典途徑由Caspase-4/5/11介導(dǎo)。

1.2Caspase-1介導(dǎo)的經(jīng)典焦亡途徑 構(gòu)成炎癥小體的PRRs包括NOD樣受體NLRP1(NLR family pyrin domain-containing 1)、NLRP3、NLRC4(NLR family CARD domain-containing 4),Toll樣受體(Toll-like receptors,TLRs)和AIM2樣受體(AIM2-like receptors,ALRs)。不同的PRR識別特定的PAMPs和DAMPs，并啟動組裝以招募和最終促進(jìn)Caspase-1的活化[17]。當(dāng)PRR被刺激后，Caspase-1被直接或通過ASC招募，形成Caspase-1依賴的炎癥小體[16]。炎癥小體組裝后，Caspase-1被激活，從酶原轉(zhuǎn)換成蛋白酶，發(fā)揮進(jìn)一步的重要作用?；罨腃aspase-1可以將前IL-1β和前IL-18裂解為IL-1β和IL-18，并促進(jìn)其分泌，起促進(jìn)炎癥作用。根據(jù)目前的研究，GSDMD是引發(fā)焦亡的關(guān)鍵效應(yīng)分子[18]?；罨腃aspase-1可以將GSDMD裂解為22 kDa的C末端片段(C-terminal fragment,GSDMD-CT)和31 kDa的N末端片段(N-terminal fragment,GSDMD-NT)[6,18]。GSDMD-NT可以轉(zhuǎn)移到細(xì)胞膜，與磷脂酰肌醇、磷脂酸和磷脂酰絲氨酸特異性結(jié)合,形成由16個生物小體組成的內(nèi)徑為10～14 nm的孔[8]。相反，GSDMD-CT可以抑制GSDMD-NT的活性[8]。

1.3Caspase-4/5/11介導(dǎo)的非典型焦亡途徑 研究[19]表明，存在非Caspase-1介導(dǎo)的焦亡途徑。非經(jīng)典途徑由Caspase-4/5/11介導(dǎo)，他們是由革蘭陰性菌中的脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)刺激而活化。與Caspase-1作用相同，激活的Caspase-4/5/11作用于GSDMD使其裂解。此外，研究[20]表明，活化的Caspase-4/5/11還可在NLRP3和ASC的介導(dǎo)下促進(jìn)Caspase-1的功能，活化的Caspase-1可以通過經(jīng)典途徑進(jìn)一步增強(qiáng)細(xì)胞焦亡。值得注意的是，非經(jīng)典途徑不能直接活化IL-1β和IL-18，他們的活化是由Caspase-1介導(dǎo)的。Caspase-1對于GSDMD的裂解不是必需的。

1.4焦亡的其他調(diào)節(jié)途徑 2017年，Rogers等[21]發(fā)現(xiàn)在凋亡過程中激活的Caspase-3可以通過從DFNA5(deafness,autosomal dominant 5)/GSDME裂解產(chǎn)生的N末端片段誘導(dǎo)焦亡。隨后，Wang等[7]證實(shí)了GSDME的裂解是由Caspase-3介導(dǎo)的，并且是由某些化療藥物的副作用引起，GSDME可以將Caspase-3介導(dǎo)的凋亡轉(zhuǎn)化為焦亡。有報道[22]二甲雙胍也可在焦亡中發(fā)揮作用，其機(jī)制是通過直接激活A(yù)MPK/SIRT1/NF-κB通路或引起線粒體功能障礙，促凋亡蛋白Bax的積聚和細(xì)胞色素-C的釋放，進(jìn)而凋亡蛋白Bax和細(xì)胞色素-C激活可裂解GSDME的Caspase-3。有研究[10]表明，鼠疫耶爾森氏菌毒力蛋白J(YopJ)通過抑制致病性鼠疫菌感染中的轉(zhuǎn)化生長因子β激活激酶-1(TGF β-activated kinase 1,TAK1)，激活Caspase-8，介導(dǎo)GSDMD和GSDME的裂解，從而導(dǎo)致細(xì)胞焦亡。有研究[12]表明，中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶(neutrophil elastase，ELANE)可以介導(dǎo)GSDMD的裂解并產(chǎn)生GSDMD-eNT(elastase-cleaved GSDMD)。GSDMD-eNT作用機(jī)制與GSDMD-cNT(Caspase-cleaved GSDMD)相同。值得注意的是，中性粒細(xì)胞中GSDMD的裂解不依賴于Caspase。

2 細(xì)胞焦亡與血液腫瘤

血液系統(tǒng)惡性腫瘤的發(fā)病率在全世界癌癥總發(fā)病率中位居第6位,在青少年惡性腫瘤病死率中位列第1位[23]。血液腫瘤是一系列血液惡性疾病的總稱，主要包括急/慢性白血病、惡性淋巴瘤、多發(fā)性骨髓瘤、惡性組織細(xì)胞病、骨髓增生異常綜合征(myelodysplastic syndrome,MDS)等。傳統(tǒng)治療血液腫瘤的方式主要是化療和放療，但這兩種方法不能完全殺滅腫瘤細(xì)胞，多數(shù)患者最終會復(fù)發(fā)。尤其是這兩種方法都缺乏特異性，在殺滅腫瘤細(xì)胞的同時，也損傷正常組織細(xì)胞，產(chǎn)生嚴(yán)重的毒副作用，甚至危及患者生命。因此，如何對血液腫瘤精準(zhǔn)、高效的治療成為血液腫瘤治療學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。而隨著精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的興起，具有特異性強(qiáng)、毒副反應(yīng)小特點(diǎn)的生物治療逐漸取代傳統(tǒng)治療。誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡，是生物治療的有效方式之一。1992年英國科學(xué)家Hickman[24]首次正式提出了可通過誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡的途徑治療腫瘤。至今,誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡逐漸成為研制、開發(fā)抗癌藥物的重要途徑之一。但有些腫瘤具有抗凋亡的特性，且部分腫瘤在治療一段時間后會出現(xiàn)耐藥性。針對這些問題，學(xué)者們試圖尋找一種可以替代凋亡的細(xì)胞死亡方式誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡，現(xiàn)在研究熱點(diǎn)有鐵死亡、壞死性凋亡、焦亡等。焦亡已被證實(shí)與多種人類疾病相關(guān)，其中就包括血液腫瘤。目前的研究成果展示出腫瘤細(xì)胞焦亡治療具有廣闊的應(yīng)用前景，或?qū)⒊蔀槿祟惛窝耗[瘤的有效手段。

2.1細(xì)胞焦亡與急性白血病 細(xì)胞焦亡在白血病的研究中進(jìn)展有限。Johnson等[25]發(fā)現(xiàn)，DPP8/9抑制劑Val-boroPro可以在人類急性粒細(xì)胞白血病(acute myeloid leukemia,AML)細(xì)胞系中誘導(dǎo)焦亡，但在其他譜系中則不能。這項(xiàng)研究從細(xì)胞焦亡的角度為AML提供了一種新的治療策略，非常有希望應(yīng)用于AML臨床治療。三氧化二砷(arsenic trioxide,ATO)是治療急性早幼粒細(xì)胞白血病(acute promyelocytic leukemia,APL)的有效藥物。有研究[26]發(fā)現(xiàn)抗壞血酸(ascorbic acid，AA)和ATO聯(lián)合使用可激活Caspase-3誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，并可上調(diào)Caspase-1的表達(dá)，促進(jìn)炎癥小體的形成，從而誘導(dǎo)焦亡。研究證據(jù)表明，常規(guī)劑量的ATO和AA聯(lián)合用于結(jié)直腸癌(clorectal cancer,CRC)治療，優(yōu)于單獨(dú)使用高劑量的ATO或AA療法。ATO是APL的典型藥物，這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)為APL或急性白血病的治療提供了新的角度。Liu等[13]發(fā)現(xiàn)，在CAR T細(xì)胞治療B-ALL期間，腫瘤細(xì)胞發(fā)生焦亡，引發(fā)CRS，這抵消了CAR T細(xì)胞治療癌癥患者的有效性。本研究發(fā)現(xiàn)識別CD19+的CAR T細(xì)胞通過釋放大量穿孔素和顆粒酶B，激活B-ALL白血病細(xì)胞中的Caspase3-GSDME途徑，導(dǎo)致細(xì)胞焦亡，引發(fā)CRS。當(dāng)前研究揭示了由CAR T細(xì)胞誘導(dǎo)靶細(xì)胞焦亡，并引發(fā)CRS的機(jī)制，這為在CAR T療法中如何減少CRS提供了方向和方法。

2.2細(xì)胞焦亡與MDS 先前的研究認(rèn)為，細(xì)胞凋亡是MDS細(xì)胞減少的原因。然而，最近越來越多研究表明，細(xì)胞凋亡并不能完全解釋在MDS看到的細(xì)胞死亡。Langemeijer等[27]在比較MDS患者和健康受試者的93個凋亡基因表達(dá)情況的研究中，結(jié)果沒有差異。此外，與細(xì)胞凋亡相關(guān)的Caspase-3在MDS中也是正常的，相反，Caspase-1則升高[28]。MDS中最具特征性的焦亡炎癥小體是NLRP3炎癥小體[28]。NLRP3主要由活性氧(reactive oxygen species,ROS)激活。在ROS的作用下，NLRP3募集ASC形成炎癥小體，進(jìn)而激活Caspase-1。Caspase-1激活促進(jìn)IL-1β和IL-18的激活以及細(xì)胞孔道的形成。該過程導(dǎo)致產(chǎn)生更多的DAMPs和ROS，進(jìn)一步增強(qiáng)MDS細(xì)胞焦亡。抑制NLRP3或Caspase-1，能有效改善MDS造血功能[28]。Basiorka等[29]通過流式細(xì)胞術(shù)對MDS患者的外周血或骨髓漿中的ASC定量實(shí)驗(yàn)證實(shí)了ASC和焦亡的關(guān)系。ASC可作為細(xì)胞焦亡的一個靈敏度和特異度都較高的生物標(biāo)志物，在未來治療研究中有關(guān)炎癥小體抑制方面有潛在應(yīng)用價值。未來的研究應(yīng)關(guān)注：ASC是否可作為MDS進(jìn)展的標(biāo)志物，“炎癥”是克隆造血的驅(qū)動因素，還是克隆造血導(dǎo)致炎癥狀態(tài)，目前這兩種機(jī)制都有研究支持。鑒于NLRP3在MDS焦亡中的作用，抑制NLRP3炎癥小體是MDS的一種有效治療策略。IRAK1、IRAK4是NLRP3的小分子抑制劑，對MDS的造血干/祖細(xì)胞(hematopoietic stem/progenitor cell,HSPC)具有選擇性細(xì)胞毒作用，并與B淋巴細(xì)胞瘤-2(B-cell lymphoma-2,BCL-2)拮抗劑具有協(xié)同作用[30]。在MDS，IRAK4的另一個作用方式是抑制NF-κB的激活，從而抑制NLRP3轉(zhuǎn)錄啟動。1型干擾素可以通過雙重機(jī)制抑制IL-1β的產(chǎn)生，包括STAT1介導(dǎo)的抑制NLRP3的激活，以及通過增加IL-10，繼而減少前IL-1β。但有促進(jìn)NF-κB通路激活，產(chǎn)生炎性細(xì)胞因子的風(fēng)險[31]。最典型的NLRP3炎癥小體抑制劑是磺酰脲衍生物MCC950(也稱CP-456，773)。MCC950對NLRP3活化的經(jīng)典和非經(jīng)典途徑都高度特異[32]。盡管MCC950在臨床前模型療效良好，但其臨床應(yīng)用受到肝毒性的限制。Bruton′s酪氨酸激酶(Bruton′s tyrosine kinase,BTK)通過與ASC和NLRP3直接相互作用，是調(diào)節(jié)NLRP3炎癥小體的關(guān)鍵分子[33]。Liu等[34]通過蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明，BTK是NLRP3炎癥小體激活的有效調(diào)節(jié)因子。BTK抑制劑ibrutinib可以抑制ASC的募集和Caspase-1的活化。在MDS治療中，ibrutinib與lenalidomide(NCT03359460)和azacitidine(NCT02553941)的聯(lián)合療效研究正在進(jìn)行。

3 結(jié)論與展望

細(xì)胞焦亡是一種新的程序性細(xì)胞死亡類型，由Gasdermin蛋白家族介導(dǎo)。誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡是治療惡性腫瘤的有效方法，但腫瘤的一個重要特征是抗凋亡。因此誘導(dǎo)癌細(xì)胞焦亡，在抗凋亡腫瘤的治療中尤為重要。然而，對于焦亡在癌癥研究中的作用，尤其是在血液腫瘤中的作用，人們的認(rèn)識才剛剛開始。近年來，由于焦亡在治療腫瘤中的巨大潛在價值，許多研究都集中于抑制或促進(jìn)細(xì)胞焦亡。然而，細(xì)胞焦亡中釋放的炎性因子，會引起機(jī)體過度炎癥反應(yīng)。因此，在誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞焦亡的同時，如何避免炎性休克是一個非常重要的課題。此外，由于DFNA5/GSDME mRNA的甲基化，在許多腫瘤中DFNA5/GSDME的表達(dá)均低于正常細(xì)胞[35～40]，這使得在這些腫瘤中難以實(shí)現(xiàn)焦亡。上調(diào)腫瘤的DFNA5/GSDME，可以降低化療藥物耐藥性并增強(qiáng)化療藥物敏感性。因此，上調(diào)腫瘤DFNA5/GSDME表達(dá)的藥物將成為未來研究的熱點(diǎn)?？偟膩碚f，與細(xì)胞凋亡、自噬和鐵死亡相似，焦亡在癌癥的診斷和治療方面具有巨大的潛在應(yīng)用價值。為研發(fā)基于細(xì)胞焦亡的抗癌療法，需要進(jìn)行更多的基礎(chǔ)研究和臨床試驗(yàn)。焦亡在急性白血病中的研究成果相對欠缺，未來對急性白血病相關(guān)焦亡機(jī)制進(jìn)行深入研究，將有助于更好地開發(fā)有效的抗癌藥物。血液腫瘤中焦亡的研究集中在急性白血病和MDS，還未有淋巴瘤相關(guān)進(jìn)展，其中的潛在價值有待研究。