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关于细胞的「死法」，你了解过多少？

参考细胞死亡命名委员会(NCCD)的分类，细胞死亡方式包括：内源性细胞凋亡（Intrinsic apoptosis）、外源性细胞凋亡(Extrinsic apoptosis)、坏死性凋亡（Necroptosis）、细胞焦亡（Pyroptosis）、铁死亡（Ferroptosis）、PARP1依赖的死亡（Parthanatos）、内亡或者侵入性细胞死亡（Entotic cell death）、依赖中性粒细胞外诱捕网的网补死亡（Netotic cell death）、溶酶体依赖性细胞死亡（LCD）、自噬依赖性细胞死亡（ADCD）、免疫原性细胞死亡（ICD）......

在这些千奇百怪的“死法”中，“凋亡”和“焦亡”让人傻傻分不清，他们不仅读音相似，甚至连“执行”过程都有些雷同！

早期“焦亡”一直被误以为是“凋亡”，在2001年前，提及Caspase引起细胞死亡，研究人员只有“凋亡”一种答案。

那么出道22年、火爆程度与日俱增的 “细胞焦亡”究竟是怎么一种细胞死亡形式呢？ 今天小P就带大家一探究竟。

细胞焦亡最新定义

2018年，NCCD提议将细胞焦亡定义为：一种依赖于Gasdermin家族蛋白形成质膜膜孔的、可调控的细胞死亡（Regulated cell death），经常但并不总因炎症性Caspase的活化而完成。

细胞焦亡发展历程

1986年，Friedlander在研究报告中指出，用炭疽致死毒素（LT）处理原代小鼠巨噬细胞导致细胞死亡和细胞内容物快速释放[1]。这是目前所能追溯到最早的一项细胞焦亡相关研究 （现已明确该方式是细胞焦亡） 。

1989年，Cerretti等人和Thornberry等人，首次发现了白细胞介素-1β-转化酶（ICE，即后来的Caspase-1），它能将前体IL-1β加工成成熟的IL-1β[2-3]。ICE的发现也为细胞焦亡研究埋下了一颗种子。

1992年，Zychlinsky等人在福氏志贺氏菌(Shigella flexneri)感染的巨噬细胞中发现了细胞“自杀”，电镜观察发现该型细胞死亡有染色质固缩、胞膜出泡、胞质空泡化、内质网膨胀、仍保留细胞器结构、基因组DNA片段化等特征（其实这就是细胞焦亡特征），基于当时对细胞死亡的认识，依旧将其归类为细胞凋亡[4]。

1993年，袁钧瑛教授团队在线虫中发现一个凋亡相关蛋白酶Ced-3，与ICE含有相似结构域，这也是第一个被报道的凋亡相关Caspase蛋白[5]，随后更多与之类似的同源蛋白被发现。

1996年，袁钧瑛等人正式统一将上述ICE/CED3蛋白酶家族成员命名为Caspase，即半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶（Cys-Asp Specific Proteinase），一组与细胞因子成熟和细胞程序性死亡有关的蛋白酶[6]。自此活化IL-1β的ICE正式被称呼为Caspase-1。

1996年，Chen等人报道了福氏志贺氏菌的入侵质粒抗原B(ipaB)可直接与Caspase-1结合并使其活化，Caspase-1抑制剂则可抑制巨噬细胞的死亡。首次报道了Caspase-1可以引起细胞死亡[7]。

1998年，Zychlinsky团队的一项研究发现，在Caspase-1敲除小鼠分离出的巨噬细胞对志贺氏菌诱导的细胞凋亡不敏感，但对其他凋亡刺激正常响应。研究团队认为福氏志贺氏菌诱导的细胞死亡可能是一种不同形式的、依赖于Caspase-1的凋亡形式[8]。

2000年，还是Zychlinsky团队，又报道了感染鼠伤寒沙门氏菌的巨噬细胞被一种不寻常的、Caspase-1依赖的细胞死亡机制杀死[9]...... 越来越多的案例，让人更加相信Caspase-1依赖的细胞死亡机制是不同于传统细胞凋亡的一种新型细胞死亡模式。

2001年，Brennan MA和Cookson BT发文，正式提出“细胞焦亡（Pyroptosis）”概念，首次区分了细胞焦亡和细胞凋亡[10]。

自此，关于细胞焦亡的研究也越来越多了起来，并且在近几年达到巅峰，成为生命科学及医学领域的一大研究热点。

数据源于:PubMed

细胞焦亡特征

1）形态学特征：

光镜下，焦亡细胞表现为细胞肿胀膨大，并且有许多气泡状突出物；相较于坏死细胞而言，细胞焦亡的肿胀程度更低。

电镜下，可以清楚看到在细胞质膜破裂前，焦亡的细胞形成大量小泡，即焦亡小体。之后细胞膜上会形成孔隙，细胞膜破裂，内容物流出。

细胞焦亡电镜图 源于[11]

2）生化特征：

细胞焦亡的生化特征主要标志有炎症小体的形成，Caspase和Gasdermin的激活以及大量促炎症因子的释放。

细胞焦亡和凋亡异同点：

Caspase家族成员在细胞焦亡与凋亡过程中的功能：

细胞焦亡通路

细胞焦亡属于炎症性死亡途径，主要通过活化的Caspase家族成员，切割并激活gasdermin家族成员，使其结合到细胞膜产生膜孔；由于胞内外渗透压差异，导致细胞不断膨胀，最终细胞破裂死亡，内容物释放，引发强烈炎症反应。 下面介绍几种细胞焦亡的通路：

1）经典途径（Caspase-1)

当细胞在感受到微生物感染或其他伤害信号时，会组装形成一个多蛋白复合物—— 炎症小体，炎症小体能召集并活化Caspase-1，活化的Caspase-1切割GSDMD 介导膜孔产生和内容物释放，同时切 割促炎症细胞因子IL-1β和IL-18前体促进其成熟和释放，以招募更多炎症细胞聚集，扩大炎症反应。

下图为致命毒素和沙门氏菌使用不同的机制来激活Caspase-1，从而导致细胞焦亡的共同途径。

不同途径激活Caspase-1引发细胞焦亡 源自[12]

2）非经典途径（Caspase-4、5、11)

在细菌脂多糖（LPS）等信号的刺激下，Caspase-4、5(小鼠为Caspase-11)被活化，活化的Caspase-4、5、11切割GSDMD，形成含有GSDMD氮端活性域的肽段，诱导细胞膜穿孔，细胞破裂，释放内容物；同时活化的Caspase-4、5、11在NLRP3和ASC存在下可与Caspase-1相互作，从而促进其激活，介导下游IL-1β和IL-18的成熟和释放[13-14]。

非经典细胞焦亡途径中，GSDMD的切割均由其他Caspases完成，仅IL-1β和IL-18前体的裂解取决于Caspase-1 。

非经典途径细胞焦亡 源自[13]

以上两种途径，是最早被解密的两种细胞焦亡途径。

近5年，细胞焦亡的定义及相关机制不断被改写完善。 这其中，邵峰院士团队功不可没。

3）Caspase-3途径

2017年，邵峰院士团队提出细胞在接受化疗药物后，活化的Caspase-3可以剪切GSDME，形成GSDME-N片段和GSDME-C片段，释放的GSDME-N片段能够造成细胞膜穿孔，最终诱导细胞焦亡[15]。

长期以来Caspase-3被认为是细胞凋亡的标志，这一通路的发现改变了人们的认知；而GSDME是Caspase-3活化后决定细胞死亡方式的关键分子这一观点的提出，也为癌症化疗及其对正常细胞毒副作用的消除提供了新见解。

4）颗粒酶介导途径

2020年，邵峰院士团队首次揭示了细胞毒性淋巴细胞所分泌的颗粒酶 A（Granzyme A，GZMA）通过切割GSDMB释放GSDMB-N片段，造成细胞穿孔，以诱发细胞焦亡[16]。

这一发现再次刷新了细胞焦亡的定义，改写了焦亡只能经Caspase活化的定论。

GZMA切割GSDMB诱导细胞凋亡 源自[16]

在上述几种途径中，我们不难发现，Caspase可以没有，但是GSDM家族必须存在。

因为GSDM家族是细胞焦亡的执行分子，其打孔功能是细胞焦亡发生的必要条件 。 这个家族一般包含有一个细胞毒性的N末端结构域和一个C末端的抑制结构域。被切割后N端结构域被释放，擦入到膜上形成膜孔。 GSDM蛋白家族在人体内有五位成员：GSDMA，GSDMB，GSDMC，GSDMD，GSDME。

细胞焦亡与疾病

细胞焦亡是机体重要的免疫反应，在拮抗感染和内源性危险信号中发挥重要作用。 近些年对肿瘤、感染性疾病、代谢性疾病、神经系统相关疾病和心血管疾病等的研究或多或少关联到细胞焦亡，相关文章也呈一个爆发趋势，可见细胞焦亡已成为生物医学研究领域的又一个热点。

1）焦亡与肿瘤

细胞死亡不仅是细胞增殖、应激反应和体内平衡的生理调节剂，也是一种肿瘤抑制机制， 诱导肿瘤细胞焦亡已成为抗肿瘤免疫的途径之一。

邵峰院士团队2020年的文章中揭示，人神经母细胞瘤SH-5Y5Y和人恶性黑色素瘤MeWo具有较高的GSDME表达，在化疗药物如Topotecan、Etoposide等作用下，GSDME通过Caspase-3的切割作用获得活性，诱导肿瘤细胞发生焦亡，这一研究表明GSDME可能成为抑癌基因新方向；同时该研究也发现敲除正常细胞中GSDME的表达能降低化疗药物副作用，为肿瘤的临床治疗提供了新的靶点和思路[17]。

2）焦亡与感染性疾病

上面我们提到，细胞焦亡早期是在被感染的巨噬细胞中发现的，这也表明了焦亡与感染性疾病的密切关系。

病原体入侵宿主细胞后，需要利用宿主细胞进行复制增殖，而细胞焦亡刚好可以将这些被入侵的细胞内容物释放，为炎症级联反应提供强有力的信号，招募免疫细胞，清除病原体[18]。

病毒性肝炎是一种常见的感染性肝病，也 是全球公共卫生面临的重要威胁之一。据世界卫生组织《2017年全球肝炎报告》显示，单在2015年就有134万人因病毒性肝炎而离世。

近期许多研究表明，细胞焦亡在肝病进展中起着重要作用， 靶向细胞焦亡是肝病治疗一个有前景的方向 。

靶向焦亡相关通路在肝病治疗中的意义 源自[19]

3）焦亡与代谢性疾病

代谢性疾病即因代谢问题（ 代谢障碍和代谢旺盛等）引起的疾病，常见的有糖尿病，痛风，高血糖高渗综合征等。 其中2型糖尿病（T2DM）的重要病理特征是胰岛β细胞的胰岛素抵抗和胰岛素分泌受损。

有研究表明在高血糖环境下，活性氧（ROS）激活β细胞中的NLRP3炎性体，提高Caspase-1依赖性IL-1β的分泌；这介导β细胞胰岛素分泌功能障碍并促进肥胖和胰岛素抵抗，最终导致T2DM的发展， 而NLRP3炎症小体和Caspase-1正是细胞焦亡的经典途径中的关键参与者[20]。可以猜测细胞焦亡可能是糖尿病发病机制的一个新的研究视角 。

4）焦亡与神经系统相关疾病

许多神经退行性疾病，包括阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、肌萎缩性侧索硬化（ALS）、亨廷顿病（HD）、多发性硬化、中风和创伤性脑损伤，都有细胞焦亡参与其中的证据报道。

PD是一种常见的与年龄相关的神经退行性运动障碍，主要是由于多巴胺能神经元的丧失。据报道，红景天苷(Sal)具有神经保护作用。Sal通过直接或者间接的通路来抑制 NLRP3 依赖性焦亡来保护多巴胺能神经元。可见焦亡在PD中起关键作用，暗示抑制细胞焦亡或给予Sal可能是一种新的PD治疗策略[21]。

5）焦亡与心血管疾病

众所周知，威胁人类死亡的头号杀手正是心血管疾病，而 心血管疾病的病理基础——动脉粥样硬化，其实就是一个炎症反应过程。许多研究报道显示，细胞焦亡可能与动脉粥样硬化的发展密切相关。

2017年的一篇研究表示内皮细胞（ECs）中的Caspase-1-炎症小体途径可以感知升高的脂质或炎症介质作为相关分子模式（DAMP），促进内皮激活，并导致ECs细胞焦亡[22]。有研究表明Caspase-1或NLRP3炎症小体可作为动脉粥样硬化相关炎症的标志物，同时也可能极大地影响动脉粥样硬化的进展 。

以上研究和细胞焦亡的分子机制表明，抑制炎症小体或Caspase-1可能成为预防和治疗动脉粥样硬化和血管炎症的新思路。

编者总结

细胞焦亡作为一种促炎性细胞死亡方式，也是感染和组织损伤时先天免疫反应的一种重要形式。它不仅在细胞组织正常生理功能和形态的维持中发挥功能，还在各种疾病的发生和发展中起着关键作用。

针对细胞焦亡特征、发生机制以及其与疾病间关系的研究，可以为相关疾病的预防和治疗提供新的思路和靶点。

目前已有部分团队率先在针对NLRP3炎症小体及其相关途径的疗法方面取得了一些进展 ，但更多的靶点和思路还有待探寻。同时如何在有效利用细胞焦亡之后，避免炎症因子风暴副作用，也是一个值得深究的问题。

相信在不久的将来，伴随着更全面、更精细的机制揭示，会有更多细胞焦亡相关疗法问世，造福人类！

细胞焦亡抗体推荐

Proteintech作为专业抗体生产商，抗体产品几乎全面覆盖人类基因组编码的蛋白靶标。

针对细胞焦亡方向，其Caspase家族抗体可称一绝。Caspase-1抗体被320篇SCI文献引用，Caspase-3被1332篇SCI文献引用，Caspase-9被488篇SCI文献引用！深受科学家们的喜爱和认可。

这里小P将细胞焦亡相关靶标抗体列表汇总，希望能助您一臂之力！

参考文献

1.Macrophages are sensitive to anthrax lethal toxin through an acid-dependent process.Friedlander AMJ Biol Chem. 1986 Jun 5; 261(16):7123-6.2.Thornberry NA, Bull HG, Calaycay JR, Chapman KT, Howard AD, Kostura MJ, Miller DK, Molineaux SM, Weidner JR, Aunins J, et al. A novel heterodimeric cysteine protease is required for interleukin-1 beta processing in monocytes. Nature. 1992 Apr 30;356(6372):768-74. 3.Cerretti DP, Kozlosky CJ, Mosley B, Nelson N, Van Ness K, Greenstreet TA, March CJ, Kronheim SR, Druck T, Cannizzaro LA, et al. Molecular cloning of the interleukin-1 beta converting enzyme. Science. 1992 Apr 3;256(5053):97-100.18.Man SM, Karki R, Kanneganti TD. Molecular mechanisms and functions of pyroptosis, inflammatory caspases and inflammasomes in infectious diseases. Immunol Rev. 2017 May;277(1):61-75. 4.Zychlinsky A, Prevost MC, Sansonetti PJ. Shigella flexneri induces apoptosis in infected macrophages. Nature. 1992 Jul 9;358(6382):167-9. 5.Yuan J, Shaham S, Ledoux S, Ellis HM, Horvitz HR. The C. elegans cell death gene ced-3 encodes a protein similar to mammalian interleukin-1 beta-converting enzyme. Cell. 1993. Nov 19;75(4):641-52. 6.Alnemri ES, Livingston DJ, Nicholson DW, Salvesen G, Thornberry NA, Wong WW, et al. Human ICE/CED-3 protease nomenclature. Cell 1996;87(2):171.7.Chen Y, Smith MR, Thirumalai K, Zychlinsky A. A bacterial invasin induces macrophage apoptosis by binding directly to ICE. The EMBO journal 1996;15(15):3853-60.8.Hilbi H, Moss JE, Hersh D, Chen Y, Arondel J, Banerjee S, Flavell RA, Yuan J, Sansonetti PJ, Zychlinsky A. Shigella-induced apoptosis is dependent on caspase-1 which binds to IpaB. J Biol Chem. 1998 Dec 4;273(49):32895-900.9.Monack DM, Hersh D, Ghori N, Bouley D, Zychlinsky A, Falkow S. Salmonella exploits caspase-1 to colonize Peyers patches in a murine typhoid model. J Exp Med. 2000 Jul 17;192(2):249-58. 10.Cookson BT, Brennan MA. Pro-inflammatory programmed cell death. Trends Microbiol. 2001 Mar;9(3):113-4. 11.Chen X, He WT, Hu L, Li J, Fang Y, Wang X, Xu X, Wang Z, Huang K, Han J. Pyroptosis is driven by non-selective gasdermin-D pore and its morphology is different from MLKL channel-mediated necroptosis. Cell Res. 2016 Sep;26(9):1007-20.12.Fink SL, Bergsbaken T, Cookson BT. Anthrax lethal toxin and Salmonella elicit the common cell death pathway of caspase-1-dependent pyroptosis via distinct mechanisms. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008 Mar 18;105(11):4312-7.13.Man SM，Kanneganti TD.Gasdermin D：the long-awaited executioner of pyroptosis[J].Cell Res，2015，25（11）：1183-1184.14.Aglietti RA，Dueber EC.Recent Insights into the Molecular Mechanisms Underlying Pyroptosis and Gasdermin Family Functions[J].Trends Immunol，2017，38（4）：261-271.15.Wang Y, Gao W, Shi X, Ding J, Liu W, He H, Wang K, Shao F. Chemotherapy drugs induce pyroptosis through caspase-3 cleavage of a gasdermin. Nature. 2017 Jul 6;547(7661):99-103. 16.Zhou Z, He H, Wang K, Shi X, Wang Y, Su Y, Wang Y, Li D, Liu W, Zhang Y, Shen L, Han W, Shen L, Ding J, Shao F. Granzyme A from cytotoxic lymphocytes cleaves GSDMB to trigger pyroptosis in target cells. Science. 2020 May 29;368(6494):eaaz7548. 17.Zhou Z, He H, Wang K, Shi X, Wang Y, Su Y, Wang Y, Li D, Liu W, Zhang Y, Shen L, Han W, Shen L, Ding J, Shao F. Granzyme A from cytotoxic lymphocytes cleaves GSDMB to trigger pyroptosis in target cells. Science. 2020 May 29;368(6494):eaaz7548.19.Al Mamun A, Wu Y, Jia C, Munir F, Sathy KJ, Sarker T, Monalisa I, Zhou K, Xiao J. Role of pyroptosis in liver diseases. Int Immunopharmacol. 2020 Jul;84:106489.20.Yu ZW, Zhang J, Li X, Wang Y, Fu YH, Gao XY. A new research hot spot: The role of NLRP3 inflammasome activation, a key step in pyroptosis, in diabetes and diabetic complications. Life Sci. 2020 Jan 1;240:117138. 21.Zhang X, Zhang Y, Li R, Zhu L, Fu B, Yan T. Salidroside ameliorates Parkinsons disease by inhibiting NLRP3-dependent pyroptosis. Aging (Albany NY). 2020 May 19;12(10):9405-9426.22.Xu YJ, Zheng L, Hu YW, Wang Q. Pyroptosis and its relationship to atherosclerosis. Clin Chim Acta. 2018 Jan;476:28-37.

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