β-淀粉樣蛋白誘導依賴caspase-1/GSDMD通路的細胞焦亡與阿爾茲海默病的研究進展

李明希 張桂美 尚天玲 王詠純 王梓鋮 孫 莉（吉林大學第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，長春 130021）

阿爾茲海默?。ˋlzheimer's disease，AD）是一種與年齡相關(guān)的、起病隱匿的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，其主要臨床特征包括記憶功能障礙、視覺空間能力和抽象思維受損，最終影響患者日常生活和社交能力［1-2］。隨著社會發(fā)展，人口老齡化問題日益嚴重，AD患病率逐漸上升，已成為世界范圍內(nèi)的主要醫(yī)療和社會問題之一［3］。AD主要病理特征包括β-淀粉樣蛋白（β-amyloid，Aβ）沉積形成的老年斑和Tau蛋白過度磷酸化引起的神經(jīng)元纖維纏結(jié)。但AD發(fā)病機制十分復雜，尚無統(tǒng)一定論。Aβ級聯(lián)假說是AD目前發(fā)病機制中最經(jīng)典的學說。既往研究表明，Aβ沉積通過諸多環(huán)節(jié)引發(fā)神經(jīng)毒性作用，在AD病程中發(fā)揮重要作用［4］。Aβ毒性作用機制尚未完全闡明，尚無效果確切的、可阻止疾病進展的治療方法。因此，了解Aβ在AD發(fā)生發(fā)展中的作用可為AD治療提供新思路。研究發(fā)現(xiàn)，Aβ可誘導細胞焦亡，加重AD病理進展。細胞焦亡（pyroptosis）是近年發(fā)現(xiàn)的一種新的程序性細胞死亡方式，主要通過炎癥小體介導多種半胱天冬氨酸蛋白酶（caspase）激活，導致多種Gasdermin家族成員發(fā)生剪切和多聚化，引發(fā)細胞膜孔道形成，從而誘導細胞焦亡［5］。

細胞焦亡激活的核心是炎癥小體組裝完成。生理條件下，炎癥小體通過感知內(nèi)外源性的危險信號招募和激活caspase，釋放大量炎癥介質(zhì)，發(fā)揮重要的免疫防御作用。但炎癥小體過度激活介導的細胞焦亡可能導致包括AD在內(nèi)的炎癥性疾病發(fā)生發(fā)展。Aβ作為AD發(fā)生發(fā)展的重要病理因素，在細胞層面通過多種途徑誘導神經(jīng)元發(fā)生變性死亡。最近研究支持Aβ誘導神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞發(fā)生焦亡，且主要依賴于caspase-1/GSDMD通路，介導炎癥介質(zhì)大量釋放，加快AD病理進程。因此本文匯總Aβ誘導的細胞焦亡與AD的相關(guān)性研究，旨在為AD治療提供新的方向。

1 細胞焦亡的分子機制

細胞焦亡是一種程序性細胞死亡方式，其特征是細胞膜完整性被破壞、細胞腫脹、特征性“焦亡小泡”形成和胞漿內(nèi)容物釋放至細胞外，級聯(lián)放大局部或全身炎癥效應［6］。細胞焦亡屬于炎癥性死亡，整個過程受特定死亡信號通路調(diào)控，是一種介于凋亡和壞死之間的細胞死亡方式，對維持機體穩(wěn)態(tài)、清除異常細胞和免疫具有重大意義［6-7］。目前認為細胞焦亡途徑分為3種：依賴caspase-1的經(jīng)典途徑、依賴caspase-4/5/11的非經(jīng)典途徑，以及新發(fā)現(xiàn)的caspase-3/GSDMD途徑。經(jīng)典的細胞焦亡途徑是由炎癥小體介導的依賴caspase-1/GSDMD的程序性細胞死亡方式。當病原體入侵宿主細胞，細胞表面或內(nèi)部的模式識別受體（pattern recognition receptors，PRRs）識別病原體相關(guān)分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）和損傷相關(guān)分子模式（damage-associated molecular pattern，DAMPs），介導多蛋白復合物組裝，招募caspase-1前體，使其發(fā)生自動剪切，產(chǎn)生具有活性的caspase-1［8］。活化的caspase-1可切割GSDMD和IL-1β/18前體，一方面生成GSDMD-C端片段（GSDMD C-terminal，GSDMDCT）和GSDMD-N端片段（GSDME D-terminal，GSDMDNT），而GSDMD-NT形成聚合物錨定至細胞膜，形成孔道結(jié)構(gòu)，促使細胞膜完整性破壞、滲透性提高；另一方面促進IL-1β、IL-18前體裂解，使其成熟并從GSDMD-NT介導形成的孔道中釋放，募集、激活其他免疫細胞，誘導趨化因子、炎癥因子、黏附因子等合成，最終形成“瀑布效應”，導致炎癥反應被正反饋放大［9］。炎癥小體的基本結(jié)構(gòu)包括PRRs、凋亡相關(guān)斑點樣蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing CARD，ASC）和caspase-1前體3部分。PRR發(fā)揮識別外界刺激信號的受體蛋白作用，ASC作為接頭蛋白募集PRRs和caspase-1前體，組裝成炎癥小體傳導通路下游信號。而caspase-1前體作為效應分子，被ASC招募后組裝形成炎癥小體，活化的caspase-1進一步切割下游GSDMD，促發(fā)細胞焦亡。炎癥小體的主要類型包括結(jié)點樣受體（nod-like receptor，NLRP）-1/3，包含CARD的結(jié)點樣受體4（NLR-family CARD-containing protein 4，NLRC4）和黑色素瘤缺失樣受體2（absent in melanoma-like receptors，AIM2），其中NLRP1、NLRP3、NLRC4的C端結(jié)構(gòu)域一般為富含亮氨酸的結(jié)構(gòu)域（leucine-richrepeat domain，LRR），用于識別特定抗原；而N端包括NLRP1和NLRP3的吡喃結(jié)構(gòu)域（pyrin domain，PYD）和NLRC4的caspase募集域［10-11］。AIM2的C端是一個HIN200的結(jié)構(gòu)域，可直接結(jié)合DNA，其N端與NLRP3類似，為pyrin結(jié)構(gòu)［12］。不論是CARD還是PYD都可通過同型相互作用，即CARD-CARD或PYD-PYD，連接包含caspase招募域的ASC，ASC聚集并招募caspase-1前體，導致caspase-1激活［10］。不同炎癥小體識別不同的DAMPs和PAMPs信號。NLRP1炎癥小體僅能識別炭疽致死毒素和胞壁二肽［13］。NLRC4炎癥小體僅能被鞭毛蛋白和muramyl二肽等PAMPs激活［14-15］，而AIM2炎癥小體僅能被內(nèi)源性或病原體來源的雙鏈DNA激活［16-17］。非經(jīng)典細胞焦亡途徑中，caspase-4/5/11直接識別并結(jié)合革蘭氏陰性菌的胞壁脂多糖（lipopolysaccharide，LPS），導致GSDMD斷裂引發(fā)焦亡［6］。研究證實，caspase-11剪切GSDMD后產(chǎn)生的氨基末端片段反饋地以NLRP3依賴的方式激活caspase-1［18］。由此可見，GSDMD為經(jīng)典與非經(jīng)典細胞焦亡途徑的重要交叉物質(zhì)［19］。2017年，一種新的細胞焦亡途徑被揭示：GSDME可被caspase-3在D270處特異性切割，生成GSDME-CT和GSDME-NT［20-21］。GSDME-CT通 過自抑作用維持自身構(gòu)象穩(wěn)定，GSDME-NT則與細胞膜結(jié)合形成孔道，改變細胞膜滲透性，導致炎癥物質(zhì)釋放，發(fā)揮調(diào)控細胞焦亡的生物學功能。

GSDMD是細胞焦亡的關(guān)鍵執(zhí)行蛋白，可能是caspase-1誘導焦亡的直接底物蛋白。GSDMD有N端和C端2個結(jié)構(gòu)域，通常情況下，N端和C端結(jié)構(gòu)域相互作用，導致GSDMD活性被自身抑制。經(jīng)典焦亡途徑中，GSDMD被激活的caspase-1切割裂解為GSDMD-NT和GSDMD-CT，GSDMD-NT結(jié)合膜脂及在膜上打孔的特性是誘導細胞焦亡的分子基礎(chǔ)。GSDMD-CT除可發(fā)揮抑制GSDMD-NT的作用外，還可與caspase-1自身加工產(chǎn)生的p10片段結(jié)合，形成正反饋，促進GSDMD裂解，進一步促發(fā)細胞焦亡［22］。

2 Aβ誘導的細胞焦亡與AD

Aβ級聯(lián)假說是公認的AD經(jīng)典發(fā)病機制之一。Aβ是淀粉樣前體蛋白（amyloid precursor protein，APP）經(jīng)β分泌酶和γ分泌酶水解形成多肽，以單體、寡聚體和纖維3種不同形式存在于大腦［23］。生理情況下，Aβ產(chǎn)生和降解處于動態(tài)平衡，當受到外界毒素、感染刺激，或APP基因發(fā)生突變，動態(tài)平衡被打破，則會導致大量Aβ異常聚集，誘導細胞焦亡發(fā)生，引發(fā)炎癥級聯(lián)反應。研究指出，Aβ誘導的細胞焦亡途徑主要依賴于caspase-1/GSDMD通路，損傷神經(jīng)元與膠質(zhì)細胞，加重AD病理改變。

2.1 caspase-1/GSDMD介導的神經(jīng)元焦亡與AD 研究表明，Aβ對神經(jīng)細胞有強烈的毒性作用，是導致AD神經(jīng)退變和認知功能障礙的主要因素［24］。TAN等［25］提出，Aβ寡聚物可干擾神經(jīng)元細胞膜功能，并引發(fā)神經(jīng)元K+外流，導致細胞內(nèi)低K+濃度誘導NLRP1形成。NLRP1炎癥小體募集下游的caspase-1效應器，促進IL-18和IL-1β前體成熟，釋放至細胞外觸發(fā)炎癥反應，誘導神經(jīng)元死亡。另外，HAN等［26］采用Aβ1～42刺激小鼠皮質(zhì)神經(jīng)元，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Aβ1～42可直接通過細胞焦亡途徑誘導小鼠皮質(zhì)神經(jīng)元死亡，此外，該研究還發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)神經(jīng)元中NLRP3、caspase-1及GSDMD蛋白表達增加。小干擾RNA沉默caspase-1和GSDMD均能顯著抑制Aβ1～42誘導的神經(jīng)細胞死亡，進一步證明Aβ1～42通過caspase-1/GSDMD信號通路誘導神經(jīng)元焦亡［25］。壞死磺酰胺（necrosulfonamide，NSA）是一種GSDMD-NT寡聚抑制劑，采用NSA預處理小鼠皮質(zhì)神經(jīng)元，結(jié)果表明，NSA預處理可抑制Aβ1～42誘導的細胞焦亡，主要表現(xiàn)為抑制細胞膜通透性和炎癥因子釋放，表明抑制GSDMD-NT寡聚可明顯減少神經(jīng)細胞焦亡，因此，在細胞水平上進一步證明caspase-1/GSDMD通路是Aβ1-42誘導神經(jīng)元焦亡的主要機制［26］。

2.2 caspase-1/GSDMD介導的小膠質(zhì)細胞焦亡與AD研究表明，Aβ異常沉積可過度激活膠質(zhì)細胞，尤其是小膠質(zhì)細胞，產(chǎn)生大量炎癥因子。生理條件下，大腦的固有免疫系統(tǒng)可將Aβ寡聚體和纖維識別為危險信號，激活固有免疫防御。NLRP3在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要表達于小膠質(zhì)細胞。NLRP3抑制劑可減少AD轉(zhuǎn)基因小鼠中小膠質(zhì)細胞過度激活，從而抑制炎癥級聯(lián)反應及細胞焦亡。NLRP3可能損傷小膠質(zhì)細胞介導的Aβ吞噬清除功能，從而導致Aβ沉積。NLRP3基因敲除小鼠中檢測到caspase-1表達降低，同時伴有Aβ聚集減少，提示過度激活的NLRP3加速AD病理進展［27］。該結(jié)果進一步被HENEKA等［24］證實，其發(fā)現(xiàn)AD小鼠小膠質(zhì)細胞中NLPR3表達升高，Aβ作用下，激活caspase-1并誘導IL-1β和IL-18分泌，加重腦組織炎癥反應。而NLRP3基因敲除促使AD轉(zhuǎn)基因小鼠小膠質(zhì)細胞轉(zhuǎn)化為抗炎表型，增強Aβ吞噬能力。P2X7受體是ATP門控離子通道受體，主要存在于免疫細胞，在腦組織中主要表達于小膠質(zhì)細胞表面。AD小鼠腦組織中P2X7表達增加，且多位于老年斑塊周圍的小膠質(zhì)細胞中，表明Aβ可能通過小膠質(zhì)細胞表面表達的P2X7受體激活NLRP3炎癥小體，誘導依賴caspase-1/GSDMD的細胞焦亡［28］。

2.3 炎癥小體與AD

2.3.1 NLRP3與AD NLRP3是參與細胞焦亡過程的主要模式識別受體，也是目前研究最廣泛的炎癥小體［29］。AD患者腦組織尸檢結(jié)果提示，NLRP3基因改變，遲發(fā)型癡呆患病風險增加［30］。動物實驗表明，采用NLRP3抑制劑可減少APP/早老素1（amyloid precursor protein/presenilin-1，APP/PS1）雙轉(zhuǎn)基因AD小鼠腦組織中Aβ沉積，改善認知功能；青蒿素被證實可通過抑制NLRP3炎癥小體激活減輕AD轉(zhuǎn)基因小鼠腦組織中Aβ沉積［31］。ASC作為NLRP3炎癥小體的接頭蛋白，在細胞焦亡中亦發(fā)揮重要作用。體外研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，AD細胞模型中ASC表達增加，且ASC-Aβ復合物可抑制原代小膠質(zhì)細胞對Aβ的清除，可能機制為ASC存在下，NLRP3炎癥小體活性增強，觸發(fā)炎癥級聯(lián)反應，抑制小膠質(zhì)細胞吞噬活性［32］。ASC也被證實可在細胞外與致病性Aβ1～42相互作用，增強其毒性作用，暴露于ASC-Aβ復合物的小膠質(zhì)細胞中的ASC、caspase-1活性增強，促炎細胞因子增多。炎癥小體也可能參與Aβ產(chǎn)生。細菌感染后的急性期蛋白在細胞因子刺激下，促進炎癥小體形成和活化，同時也與非特異性殺傷機制相關(guān)，可能啟動AD中經(jīng)caspase級聯(lián)的Aβ穩(wěn)態(tài)過程，導致Aβ產(chǎn)生增加［33］。綜上，依賴caspase-1的經(jīng)典細胞焦亡途徑在AD中發(fā)揮重要病理作用，Aβ作用下，NLRP3炎癥小體被激活，觸發(fā)下游caspase-1成熟與釋放，進而擴大炎癥級聯(lián)反應。

2.3.2 AIM2與AD當細胞受高濃度胞質(zhì)DNA刺激時，AIM2炎癥小體發(fā)生募集，激活caspase-1，介導促炎細胞因子IL-1β和IL-18分泌，通過炎癥反應清除內(nèi)源性危險因素，減輕組織病理性炎癥損傷［34］。研究發(fā)現(xiàn)，AIM2蛋白表達與某些促炎細胞因子釋放呈負相關(guān)。AIM2基因缺失的小鼠腦組織中，IL-6和IL-18表達較高［35］。采用LPS刺激AIM2基因缺失的B6.Sv129小鼠，檢測到其骨髓巨噬細胞中IL-6 mRNA表達顯著升高［36］。且AIM2通過抑制部分Ⅰ型干擾素誘導蛋白表達，抑制神經(jīng)炎癥加重［34］。但相關(guān)研究提示，AIM2在AD病程中似乎扮演病理角色，一項基于5XFAD小鼠的研究證實，AIM2基因缺失小鼠大腦皮層和海馬區(qū)Aβ沉積明顯減輕，小膠質(zhì)細胞過度激活也得到改善，提示AIM2蛋白參與Aβ誘導的細胞焦亡過程［35］。另外，AIM2基因缺失的APP/PS1雙轉(zhuǎn)基因動物表現(xiàn)出較好的空間記憶能力，在細胞結(jié)構(gòu)層面表現(xiàn)為神經(jīng)細胞的樹突棘密度提高［37］。目前，AIM2炎癥小體與AD相關(guān)性研究較少，需更多基礎(chǔ)與臨床研究驗證其在AD中的角色。

3 總結(jié)與展望

目前研究表明，Aβ誘導的細胞焦亡在AD病理進展中發(fā)揮重要作用。但目前多數(shù)研究僅局限于動物及體外細胞水平，缺少相關(guān)臨床數(shù)據(jù)證實。通過了解炎癥小體生理和病理條件下在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的作用機制，以及明確這些炎癥小體所具有的藥理學靶向性，可能為開發(fā)AD新藥帶來新希望。因此，需要加深基礎(chǔ)研究，拓展臨床研究，靶向細胞焦亡與AD的可能致病機制，以期為AD防治提供新的理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段。