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    感染、肿瘤、心血管疾病……日渐关注的细胞焦亡

    发布时间: 2021-08-03  点击次数: 231次

    什么是焦亡?



    细胞焦亡是一种炎症形式的、程序性细胞死亡,其特征是细胞不断胀大直至细胞膜破裂,释放促炎性细胞因子 IL-1β 和 IL-18 等内容物进而引发强烈的炎症反应[1,10],这是一种不同于细胞凋亡和细胞坏死的过程(表 1)。


    表 1 

    细胞凋亡、坏死及焦亡的差异


    _

    细胞凋亡

    细胞坏死

    细胞焦亡

    是否为程序性死亡?

    细胞膜是否完整?

    细胞组分变化

    细胞质和细胞核固缩、DNA 损伤、形成凋亡小体、暴露介导吞噬作用的表面分子

    细胞器肿大、DNA 损伤(有时)

    Caspase-1 活化、DNA 损伤、细胞因子释放

    是否释放炎性细胞成分?

    参与的 Caspases

    Caspase-2-3-6-7-8-9(小鼠), -10(人)

    Caspase-1-3-11(小鼠); -4-5(人)

    根据参考文献 2,3,10 总结


    已发现焦亡与多种疾病相关,包括微生物感染[10]、动脉粥样硬化及其他心血管疾病[6]、败血症[4] 和肝病[10] 等,焦亡及其分子机制可以作为潜在的新型治疗靶点[9]。近来的研究发现,在肿瘤中引发细胞焦亡可有效调节肿瘤微环境,进而激活很强的 T 细胞诱导的抗肿瘤免疫活性,清除肿瘤,提示细胞焦亡未来将会对肿瘤免疫治疗发挥推动性作用[14,15]


    2

    细胞焦亡有哪些途径?


    焦亡的经典形式是 caspase-1 依赖性的,同时,也有多项研究确定了 caspase-1 非依赖性的非经典途径。


    Caspase-1 依赖性焦亡

    在细菌、病毒和宿主细胞成分的 PAMPs 和 DAMPs 刺激下,细胞内的模式识别受体 NLRs 家族(Nucleotide-binding oligomerization domain and leucine-rich repeat receptors)包括 NLRP3、NLRP1b 和 NLRC4/CARD12 激活 Caspase 1。NLR-Caspase 1 激活后,形成炎症小体。炎症小体是由传感器 NLRs、蛋白酶 Caspases 效应器和称为 ASC 的衔接蛋白组成的多蛋白结构(表 2)[8,9,10]


    表 2

    炎症小体组成

    传感器分子

    衔接蛋白

    蛋白酶 Caspases

    NLRP1-3, -4, -6-7-12NLRC4AIM2pyrinIFI16RIG-1

    ASC, Pycard

    Caspase-1-4/5*, -11*

    * 炎症小体组装不需要,但可能发挥作用,根据参考文献 1,8,9 总结


    除了形成炎症小体外,炎症性 Caspases-1、-4/5(人)和-11(小鼠)还切割激活 Gasdermin D,切割产生的 Gasdermin D 的 N 端片段多聚化,在质膜上形成孔隙,释放促炎性细胞因子[7,10]。主动释放促炎性细胞因子,是焦亡相较于其他形式细胞死亡的独特特征。促炎细胞因子 IL-1β 和 IL-18 首先翻译成非活性形式,然后被 Caspase-1 裂解并激活[3,7,10],之后这些细胞因子可以通过 Gasdermin D 形成的孔释放。



    细胞焦亡流程示意图[3]


    Caspase-1 非依赖性焦亡

    Gasdermin D 也可以 Caspase-1 非依赖性形式被 Caspase-4、-5 和-11 激活。然而在这种情况下,促炎性 IL-1β 和 IL-18 的激活仍然依赖于 Caspase-1 的活性[10]。Caspase-3 也被证明能激活 Gasdermin E,同样在细胞膜上形成孔隙,释放 DAMP 和细胞因子[3]


    3

    如何检测焦亡?


    检测焦亡有多种方法,主要有以下几种,必要时可以结合多种指标进行评估。


    • 基于酶活性比色法检测乳酸脱氢酶(LDH,质膜孔隙形成的标志)的释放。

    • 用电子显微镜在单个细胞基础上评估膜完整性,观察是否有细胞肿胀和胞浆释放。该方法的缺点是,焦亡和坏死都涉及到细胞内容物的释放,仅从形态学特征很难区分。

    • 通过标志物组合来确定:包括 Gasdermin D 和 E 的裂解,可以用 WB 来验证;IL-1β 和 IL-18 的激活和释放,可用 ELISA 检测细胞上清来进行定量;Caspases(caspase-1、-3、-4、-5 和-11)的激活[12,13]


    Bio-Techne 旗下子品牌 R&D Systems® 和 Novus Biologicals® 可提供细胞焦亡研究相关的抗体、ELISA 试剂盒及活性分析试剂盒等工具,文中涉及到的关键指标的代表产品如下:


    图片


    参考文献:

    1. Bergsbaken, T., Fink, S. L., & Cookson, B. T. (2009). Pyroptosis: host cell death and inflammationNature reviews. Microbiology.

    2. Fink, S. L., & Cookson, B. T. (2005). Apoptosis, pyroptosis, and necrosis: mechanistic description of dead and dying eukaryotic cellsInfection and immunity.

    3. Frank, D., & Vince, J. E. (2019). Pyroptosis versus n



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