GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡在心血管疾病中的研究進(jìn)展

單少鵬，李 方，郝恩魁

1.山東大學(xué)齊魯醫(yī)學(xué)院，濟(jì)南 250012 2.濟(jì)南市中心醫(yī)院，濟(jì)南 250013 3.山東大學(xué)附屬千佛山醫(yī)院（山東省千佛山醫(yī)院）保健心內(nèi)科，濟(jì)南 250014

焦亡作為細(xì)胞死亡形式之一，與機(jī)體的先天免疫反應(yīng)密切相關(guān)，以細(xì)胞膜通透性改變及細(xì)胞外釋放炎性細(xì)胞因子為特征［1］。細(xì)胞焦亡過程的激活途徑包括依賴半胱氨酸天冬酶（caspase）-1的典型途徑、依賴caspase-4/5/11的非典型途徑及最近發(fā)現(xiàn)的依賴caspase-8的途徑［2］。目前研究［3］證實(shí)GSDMD（gasdermin D）是典型和非典型炎性小體下游caspase的直接底物，參與細(xì)胞因子釋放和細(xì)胞焦亡過程。近年來，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡過程在各種心血管疾病的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。本文將GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡與心血管疾病之間關(guān)系的研究進(jìn)展綜述如下。

1 細(xì)胞焦亡的典型與非典型途徑

細(xì)胞焦亡的典型途徑與炎性小體，如核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3（NLRP3）、NLRP1、含半胱氨酸天冬酶激活和募集結(jié)構(gòu)域的NLRP4（NLRC4）、黑色素瘤缺乏因子2（AIM2）、PYRIN蛋白［4］等密切相關(guān)。炎性小體是由模式識別受體（PRRs）作為支架蛋白構(gòu)成的大分子蛋白質(zhì)復(fù)合物。PRRs廣泛表達(dá)于先天免疫細(xì)胞（單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞、DC細(xì)胞和NK細(xì)胞［5］）的表面，胞內(nèi)囊泡和胞質(zhì)中。典型的炎性小體由PRRs、凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白（ASC）、前caspase-1（pro-caspase-1）組成，能識別危險(xiǎn)相關(guān)分子模式（DAMPs）和病原體相關(guān)分子模式（PAMPs）。典型炎性小體中的procaspase-1被加工成為有活性的caspase-1后，可促進(jìn)促炎癥細(xì)胞因子（pro-IL-18和pro-IL-1β）的成熟，并誘導(dǎo)質(zhì)膜上膜孔的形成，導(dǎo)致細(xì)胞膜的完整性喪失［6］。

脂多糖（LPS）又稱內(nèi)毒素，是革蘭陰性菌重要的細(xì)胞壁成分和最保守的分子模式，細(xì)胞焦亡的非典型途徑為caspase-4/5/11通過識別LPS直接作用于底物GSDMD，進(jìn)而導(dǎo)致焦亡。脂質(zhì)A是LPS中最保守的區(qū)域，通過與caspase-4/5/11結(jié)合，誘導(dǎo)caspase的寡聚并使之激活，進(jìn)而通過切割下游目標(biāo)引起細(xì)胞焦亡。Caspase-4/5/11-LPS復(fù)合物被認(rèn)為是非典型炎性小體［7］。

2 GSDMD

GSDMD屬于致孔蛋白家族Gasdermin家族成員［8］。細(xì)胞膜破裂是細(xì)胞焦亡最明顯的特征之一，這一過程由GSDMD所介導(dǎo)。GSDMD的NH2-末端起誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的作用，而COOH-末端抑制NH2-末端誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的作用。在健康細(xì)胞中，兩個(gè)結(jié)構(gòu)域之間的相互作用使GSDMD處于功能性失活狀態(tài)。在細(xì)胞焦亡過程中，caspase介導(dǎo)GSDMD蛋白水解產(chǎn)生有功能的NH2-末端裂解產(chǎn)物（GSDMD-NT）［1］。當(dāng)炎性小體被激活時(shí)，caspase-1/4/5/11裂解GSDMD，使其釋放出具有成孔 活 性 的GSDMD-NT［8］。GSDMD-NT被 轉(zhuǎn) 移 于質(zhì)膜和線粒體膜，與磷脂酰肌醇磷酸鹽(PIPs)、磷脂酰絲氨酸(PS)、心磷脂(CL) 等酸性脂質(zhì)結(jié)合，寡聚成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，并插入到磷脂雙分子層中形成大的跨膜孔。通過這些跨膜孔，炎性細(xì)胞因子（如IL-1β、IL-18）等細(xì)胞內(nèi)容物被釋放，從而破壞細(xì)胞膜的滲透電位，引發(fā)細(xì)胞膜破裂，最終導(dǎo)致細(xì)胞焦亡［3］。既往研究［9］發(fā)現(xiàn)了GSDMD的裂解位點(diǎn)。還有研究［10］發(fā)現(xiàn)，GSDMD除了通過N-末端和C-末端結(jié)構(gòu)域的連接子與caspase-1活性位點(diǎn)結(jié)合外，還可通過N-末端結(jié)構(gòu)域遠(yuǎn)端 C-末端結(jié)構(gòu)域內(nèi)的疏水口袋與caspase-1的L2和L20 環(huán)上的反平行β折疊結(jié)合，提示GSDMD C-末端結(jié)構(gòu)域除了自身抑制作用外，還有caspase募集作用；同時(shí)，該研究認(rèn)為GSDMD-N末端結(jié)構(gòu)域不與caspase-1結(jié)合，而是GSDMD中含有裂解位點(diǎn)的連接子通過長環(huán)結(jié)構(gòu)與caspase-1活性位點(diǎn)結(jié)合。目前caspase解離GSDMD氨基和羧基末端結(jié)構(gòu)域的機(jī)制仍然不清楚，需要進(jìn)一步的研究加以確定。

3 細(xì)胞焦亡與氧化應(yīng)激的關(guān)系

氧化應(yīng)激是引起機(jī)體組織損傷的重要因素，其引起的細(xì)胞損傷引發(fā)了復(fù)雜的機(jī)體抗氧化保護(hù)機(jī)制。在正常情況下，機(jī)體通常能維持自身產(chǎn)生的自由基和抗氧化物之間的平衡，嚴(yán)重的氧化應(yīng)激則會破壞這一平衡［11］。既往研究［12］發(fā)現(xiàn)，異常的細(xì)胞死亡信號通路及有害的氧化應(yīng)激過程與人類多種病理狀態(tài)相關(guān)，尤其表現(xiàn)于心血管疾病、神經(jīng)退行性病變、肝臟疾病和藥物毒性。細(xì)胞的氧化還原平衡狀態(tài)由細(xì)胞內(nèi)活性氧（ROS）和多種抗氧化物系統(tǒng)之間的平衡維持。最近一項(xiàng)研究［13］表明，GSDMD的氧化是線粒體ROS促進(jìn)細(xì)胞焦亡的起始機(jī)制。目前，氧化應(yīng)激在細(xì)胞焦亡中的確切作用尚不明確，針對兩者關(guān)系的更深層次研究有重要意義。

4 細(xì)胞焦亡與心血管疾病之間的關(guān)系

炎癥反應(yīng)是各種心血管疾病的發(fā)生發(fā)展中的共同過程。細(xì)胞焦亡作為一種伴隨炎癥反應(yīng)的程序性細(xì)胞死亡方式在其中發(fā)揮重要作用。因此，針對細(xì)胞焦亡過程的治療可作為心血管疾病研究的重點(diǎn)。

4.1 動(dòng)脈粥樣硬化 動(dòng)脈粥樣硬化是以彈性動(dòng)脈內(nèi)膜上纖維組織和脂質(zhì)沉積導(dǎo)致血栓形成為特征，以血管壁增厚和硬化為標(biāo)志的結(jié)構(gòu)性損害。此外，細(xì)胞死亡和炎癥反應(yīng)在動(dòng)脈粥樣硬化的不同階段起關(guān)鍵作用。血管內(nèi)皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞的焦亡在動(dòng)脈粥樣硬化的形成和發(fā)展中起重要作用。細(xì)胞焦亡可加重斑塊的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致斑塊破裂和血栓形成。Caspase-1或NLRP3的表達(dá)與冠狀動(dòng)脈病變的嚴(yán)重程度及心血管疾病的臨床危險(xiǎn)因素相關(guān)，提示caspase-1或NLRP3可被作為動(dòng)脈粥樣硬化相關(guān)炎癥的標(biāo)志物［14］。因此，針對炎性小體、caspase或GSDMD的抑制劑可以用為防治動(dòng)脈粥樣硬化。相關(guān)研究［15］發(fā)現(xiàn)，作為香煙主要成分的尼古丁，可以通過ROS-NLRP3介導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞焦亡，進(jìn)而加重動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成和發(fā)展。最近一項(xiàng)研究［16］表明，在人內(nèi)皮細(xì)胞中，阿托伐他汀可通過非降脂作用來抗動(dòng)脈粥樣硬化，表 現(xiàn) 為 通 過 降 低NLRP3、caspase-1、GSDMD、IL-1β和IL-18在mRNA和蛋白水平的表達(dá)來抑制細(xì)胞焦亡；同時(shí)，lncRNA NEXN-AS1的表達(dá)上調(diào)可以起到抗動(dòng)脈粥樣硬化的作用，而阿托伐他汀可通過增強(qiáng)lncRNA NEXN-AS1及其同源基因NEXN的表達(dá)來抑制細(xì)胞焦亡。另有一項(xiàng)研究［17］表明，紅景天苷可明顯抑制動(dòng)脈粥樣硬化斑塊形成，且具有抗氧化和抗炎作用，該作用可能與其可以抑制caspase-1活化、IL-1β釋放和減少GSDMD表達(dá)有關(guān)。

4.2 心肌梗死及心臟缺血再灌注損傷 在心肌梗死和再灌注損傷過程中，均會伴隨炎癥反應(yīng)的發(fā)生。既往研究［18］表明，細(xì)胞焦亡相關(guān)因子廣泛存在于心肌細(xì)胞、心臟成纖維細(xì)胞、炎癥細(xì)胞內(nèi)，參與心肌梗死的發(fā)生發(fā)展過程。一項(xiàng)研究［19］發(fā)現(xiàn)，心肌梗死激活了由caspase-1、NLRP3和ASC組成的多蛋白炎性小體復(fù)合體，并引發(fā)了心肌細(xì)胞的焦亡。核轉(zhuǎn)錄因子（NF-κB）作為細(xì)胞對氧化應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵分子開關(guān)，參與各種與炎癥、凋亡和增殖相關(guān)的疾?。ㄈ缧募」Ｋ溃┑陌l(fā)生和發(fā)展，是GSDMD的必需轉(zhuǎn)錄因子，參與GSDMD介導(dǎo)的心肌細(xì)胞焦亡過程。NF-κB-GSDMD軸是氧化應(yīng)激和NLRP3介導(dǎo)的心肌細(xì)胞焦亡的橋梁。心肌梗死后心臟缺血再灌注會誘導(dǎo)無菌性炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致心臟進(jìn)一步損傷，進(jìn)而導(dǎo)致梗死范圍擴(kuò)大，表現(xiàn)為局部釋放DAMPs，觸發(fā)NLRP3表達(dá)，并通過激活caspase-1放大炎癥反應(yīng)，促進(jìn)細(xì)胞死亡。ROS是心臟缺血和再灌注期間產(chǎn)生的最常見副產(chǎn)物，是NLRP3的有效觸發(fā)因子，可以誘導(dǎo)依賴NLRP3的溶酶體的損傷和炎性小體的激活。ROS可以通過多種機(jī)制引發(fā)氧化應(yīng)激及炎性小體級聯(lián)反應(yīng)［20］。相關(guān)研究［21］表明，心臟缺血再灌注可誘導(dǎo)大鼠心臟表達(dá)GSDMD；β-細(xì)辛醚可抑制NLRP3通路，減少caspase-1的募集和激活，降低GSDMD蛋白的裂解和活化，表明β-細(xì)辛醚可通過抑制炎癥反應(yīng)及NLRP3活化和GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡來減輕心臟缺血再灌注損傷和縮小心肌梗死面積，從而保護(hù)心臟功能。另有一項(xiàng)研究［22］表明，一種新的蒽醌類化合物康樂欣可以阻止心肌梗死誘導(dǎo)的焦亡，其抑制GSDMD、GSDMD-NT和裂解的caspase-1等細(xì)胞焦亡相關(guān)蛋白的增加。該研究提示，康樂欣可通過抑制NLRP3和隨后出現(xiàn)的細(xì)胞焦亡，預(yù)防心肌梗死造成的心肌損傷和心臟功能障礙。

4.3 心肌炎 心肌炎的特征為免疫細(xì)胞浸潤心臟及心肌水腫、纖維化和心臟功能障礙進(jìn)行性惡化。心肌炎可由病毒（柯薩奇病毒、腺病毒、細(xì)小病毒、肝炎病毒、甲和乙型流感病毒、HIV等）、細(xì)菌（伯氏疏螺旋體）和原生生物（克氏錐蟲）等感染因素和非感染因素（毒素、酒精、毒品等）引起。大量免疫細(xì)胞被募集到心臟，可以去除壞死的組織、清除病原體以及促進(jìn)損傷的愈合，但在一些特定情況下，免疫細(xì)胞會對心臟造成不可逆轉(zhuǎn)損害［23］。一項(xiàng)動(dòng)物研究［24］表明，膽維丁乳(CCE)可以通過抑制細(xì)胞焦亡信號通路，進(jìn)而減輕小鼠的實(shí)驗(yàn)性自身免疫性心肌炎(EAM)。此外，CCE還可以減輕線粒體的損傷。相關(guān)研究［25］表明，通過抑制鈣蛋白酶表明可以減輕柯薩奇病毒B3誘導(dǎo)的心肌炎，其具體機(jī)制為典型途徑（NLRP3/caspase-1途徑）和非典型途徑（caspase-11途徑）介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡被抑制，鈣蛋白酶抑制劑過表達(dá)可以顯著降低心肌組織內(nèi)GSDMD-NT、IL-1β、高遷移率族蛋白1（HMGB1）的表達(dá)和外周IL-1β和HMGB1的表達(dá)。

4.4 糖尿病性心肌病 心肌病常為特發(fā)，發(fā)生發(fā)展可能與機(jī)體感染、代謝、遺傳和免疫因素有關(guān)。擴(kuò)張性心肌病、遺傳性結(jié)構(gòu)性心肌病、查加斯心肌病與NLRP3的激活密切相關(guān)［26］。糖尿病性心肌病是糖尿病的一種并發(fā)癥，以心肌纖維化、左心室肥厚和左心室收縮和舒張功能受損為特征。糖尿病性心肌病的患病率逐年升高，與糖尿病的高發(fā)病率有關(guān)。糖尿病性心肌病的發(fā)生與代謝紊亂導(dǎo)致炎癥、纖維化和心肌細(xì)胞死亡有關(guān)［27-28］。此外，高血糖可導(dǎo)致ROS的產(chǎn)生增加，進(jìn)而使機(jī)體各個(gè)組織中氧化應(yīng)激反應(yīng)增加［11］。最近一項(xiàng)研究［29］發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病小鼠心臟中NLRP3、ASC和caspase-1的mRNA水平較對照組顯著升高。絞股藍(lán)可通過抑制ROS產(chǎn)生來減少NLRP3的激活，從而改善高糖引起的心肌損傷［30］。一項(xiàng)動(dòng)物實(shí) 驗(yàn)［31］表明，應(yīng)用二甲雙胍治療后的糖尿病小鼠模型 中NLRP3、caspase-1、IL-1β和GSDMD-NT的表達(dá)水平均較對照組降低。上述研究表明，細(xì)胞焦亡在糖尿病性心肌病的發(fā)生發(fā)展中起重要作用，這為糖尿病性心肌病患者的治療提供了新思路。

4.5 心力衰竭 心力衰竭是各種心血管疾病的終末結(jié)局［32］。心肌梗死、心肌炎、心肌病、高血壓等引起的心力衰竭均伴有炎癥反應(yīng)的發(fā)生［33］。炎癥反應(yīng)導(dǎo)致心肌細(xì)胞及內(nèi)皮細(xì)胞損傷加重，進(jìn)一步加重心臟功能障礙。同時(shí)，氧化應(yīng)激反應(yīng)在衰竭的心臟中增加，促進(jìn)心肌重塑的發(fā)生發(fā)展［34］?；ㄇ嗨?、芹菜素可以通過抑制炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激過程來減輕LPS誘導(dǎo)的心力衰竭和心肌損傷過 程［35-36］。既往研究［37］表明，卡維地洛作為被用于治療高血壓和充血性心力衰竭的藥物，可以抑制小鼠巨噬細(xì)胞內(nèi)NLRP3 炎性小體的激活和GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡。曲美他嗪作為抗心絞痛藥物，可通過調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞的功能來改善LPS引起的心臟功能障礙。因此，心臟細(xì)胞焦亡在心衰的發(fā)生發(fā)展過程中起重要作用，有必要對細(xì)胞焦亡和心力衰竭的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步研究。

綜上所述，GSDMD通過介導(dǎo)心肌細(xì)胞、心臟成纖維細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞等多種細(xì)胞的焦亡，引發(fā)機(jī)體炎癥反應(yīng)，在各種心血管疾病的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。氧化應(yīng)激作為GSDMD介導(dǎo)炎癥反應(yīng)的重要環(huán)節(jié)，相關(guān)因子可作為心血管疾病預(yù)防和治療的潛在作用靶點(diǎn)。目前針對GSDMD膜孔形成及細(xì)胞焦亡過程在心血管疾病發(fā)生發(fā)展中作用的研究還處于起步階段，對其進(jìn)行深入研究能為心血管疾病的預(yù)防與治療提供新方向。

利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。