細胞焦亡是什么？
細胞凋亡（Apoptosis）是經典的細胞死亡方式，但隨著研究的不斷深入，很多細胞死亡現象并不能用細胞凋亡來解釋，隨著研究的深入，科學家又陸續(xù)發(fā)現了一些新的細胞死亡新機制。細胞焦亡（Pyroptosis）便是近年來發(fā)現并證實的一種炎癥程序性細胞死亡，其特征為依賴于炎性半胱天冬酶（主要是caspase-1，4，5，11），并伴有大量促炎癥因子的釋放。細胞焦亡可由各種病理刺激引發(fā)，如中風、心臟病發(fā)作、癌癥、感染等。
按照激活機制，細胞焦亡可分為Caspase-1依賴和不依賴兩種途徑。兩種途徑都是通過切割GSDMD后形成N端游離的肽段，這一肽段會誘導細胞形成孔道并導致細胞破裂，釋放胞質成分。兩種途徑都能同時誘導IL-1β和IL-18的前體進行切割，形成成熟的IL-1β和IL-18。不同的只是是否直接激活Caspase-1。經典的細胞焦亡依賴于caspase-1，這從根本上將細胞焦亡與其它細胞死亡途徑區(qū)分開來。由于caspase-1是細胞焦亡途徑中的主要效應蛋白酶，因此caspase-1的活化是細胞發(fā)生焦亡的重要指標。
三種主要的pyroptosis途徑示意圖[1]
1. 細胞膜破裂：Caspase-1介導的細胞膜離子梯度發(fā)生改變，細胞內滲透壓增加，導致細胞膜破裂，細胞膨大變形，釋放炎性物質；2. DNA隨機降解：DNA隨機降解，不像細胞凋亡時，DNA降解為180-200bp及其整數倍的片段；3. 產生炎癥體：炎癥體是一種胞質多聚體信號復合物，協調免疫反應對入侵病原體的激活。炎癥體的激活導致caspase-1的加工和激活。一旦被激活，caspase-1將pro-IL-1β和pro-IL-18切割成成熟形式IL-1β、IL-18，并切割Gasdermin D（由GSDMD編碼）以誘發(fā)細胞焦亡。4. 活化的IL-1β和IL-18釋放：炎性細胞因子IL-1β和IL-18在細胞焦亡中經歷caspase-1依賴性激活和分泌。白介素-1β是一種有效的內源性熱原，可刺激發(fā)熱、白細胞組織遷移和多種細胞因子和趨化因子的表達。白細胞介素-18誘導干擾素γ的產生，對活化T細胞、巨噬細胞和其它細胞類型很重要。白細胞介素-1β和白細胞介素-18在一系列炎癥和自身免疫性疾病的發(fā)病機制中起著至關重要的作用。1. Gasdermin D的切割：細胞焦亡發(fā)生時，GSDMD（53KD）被切割，產生30KD左右的片段，能夠通過Western blot（WB）對GSDMD的大小進行驗證。推薦：GSDMD抗體2. Caspase的激活，主要是Caspase-1，Caspase-4，Caspase-5，Caspase-11：細胞焦亡發(fā)生時，caspase-1和caspase-4被激活，可以通過檢測caspase-1和caspase-4的活性來驗證。推薦：Caspase活性分析試劑盒3. IL-1β、IL-18的成熟和釋放：細胞焦亡發(fā)生時，IL-1β和IL-18會釋放到細胞中，可以通過WB或ELISA方法檢測細胞上清中的IL-1β和IL-18的含量來驗證。4. 細胞形態(tài)學檢測：可以用掃描電鏡觀察細胞形態(tài)，如：細胞膜破裂、細胞膨大變形、細胞器變形。異同點 | 細胞凋亡 | 細胞焦亡 |
相同點 | 都是程序性細胞死亡過程 |
不
同
點 | 起因 | 生理條件下的基因調控 | 病理性的刺激 |
細胞類型 | 細胞凋亡發(fā)生在所有細胞中 | 細胞焦亡一般發(fā)生在Mφ（巨噬細胞）和DC細胞中 |
對組織的影響 | 無炎癥反應 | 有炎癥反應 |
溶血現象 | 無溶血 | 有溶血 |
標志性事件 | 細胞形態(tài)：縮小 | 細胞形態(tài)：膨大、變形 |
細胞膜：結構完整 | 細胞膜：破裂 |
細胞器：完整 | 細胞器：變形 |
DNA：斷裂，降解為180~200bp及其整數倍的片段 | DNA：隨機降解 |
其他：核蛋白、細胞骨架、蛋白交聯破壞，吞噬細胞配體表達，形成凋亡小體 | 其他：核濃縮、形成焦亡小體 |
分類 | 內源性途徑/線粒體途徑 | 經典通路：基于caspase1 |
基于caspase9 | 非經典通路：基于caspase4，5，11 |
對caspase的依賴性 | 起始：caspase8，9，10 | Caspase1，3，4，5，11 |
執(zhí)行：caspase3，6，7 |
檢測指標 | 早期凋亡：Annexin V、JC-1；
中期凋亡：Caspase；
晚期凋亡：TUNEL； | Gasdermin D切割；
Caspase-1、Caspase-4活性；
IL-1β、IL-18含量. |
參考文獻：
[1] Yu J., et al. Mechanisms of Neoantigen-Targeted Induction of Pyroptosis and Ferroptosis: From Basic Research to Clinical Applications. Front Oncol, 2021. 11: 685377. [2] Qian Z. et al. Pyroptosis in the Initiation and Progression of Atherosclerosis. Front Pharmacol, 2021. 12:652963.
[3] Shi, J., et al. Cleavage of GSDMD by inflammatory caspases determines pyroptotic cell death. Nature, 2015. 526(7575): 660-5.[4] Ding, J., et al. Pore-forming activity and structural autoinhibition of the gasdermin family. Nature, 2016. 535(7610): 111-6.[5] Xia, X., et al. The role of pyroptosis in cancer: pro-cancer or pro-"host"? Cell Death Dis, 2019. 10(9): 650.[6] Zeng Z. et al., Role of pyroptosis in cardiovascular disease. Cell Prolif, 2019. 52(2): e12563.
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