GSDMD介导的细胞焦亡在呼吸系统疾病中研究进展

黄凤萍 梁剑 何英鸾

(平果市人民医院，广西 平果 531499)

细胞焦亡是近年来新发现的细胞程序性死亡方式，在形态学上出现细胞核固缩、染色质DNA断裂等与凋亡相似的特征，又同时具备一些与细胞凋亡不同的特异性表现，如细胞质膜孔洞形成、炎性因子大量释放等[1]。消皮素D(Gasdermin D,GSDMD)是细胞焦亡的“杀手蛋白”，不论在经典的还是非经典的焦亡途径的信号通路中，GSDMD都作为执行蛋白发挥关键作用。近年来多项研究显示，GSDMD介导的细胞焦亡与急性肺损伤、支气管哮喘、慢性阻塞性肺气肿、肺癌等多种呼吸系统疾病的发生发展过程密切相关。本文通过总结GSDMD介导的细胞焦亡在呼吸系统疾病中作用研究进展，期望为今后研究如何通过GSDMD介导的细胞焦亡途径诊断及治疗呼吸系统疾病提供理论基础。

1 GSDMD与细胞焦亡的概述

GSDMD属于GSDM蛋白家族，位于人第8号染色体，由487个氨基酸构成，全长53kDa，广泛表达于多种细胞和组织的胞浆中[2]。在静息状态下GSDMD的 N 端与 C 端结构域通过长环相连接，处于无活性的自抑制状态；GSDMD被Caspase切割后，释放N端结构域，参与细胞焦亡；被切割后形成的N端形成多聚体，特异性结合细胞膜内的膜磷酸肌醇，穿透质膜形成直径约10～15 nm的亲水性孔道，10 nm以下的无机离子可通过该孔道引起细胞肿胀，炎性因子IL-1β和IL-18也同时被释放到细胞外，进而募集其他的炎性细胞并扩大炎症反应[2-3]。根据所依赖的炎性 Caspase 的不同，焦亡被分为经典细胞焦亡途径和非经典细胞焦亡途径。当机体受到病原微生物等刺激，NLRP3、NLRC4、AIM2、Pyrin等炎症小体被激活，可将Pro-Caspase-1加工裂解形成有活性的Caspase-1，GSDMD蛋白被Caspase-1切割释放N端结构域，使细胞死亡并破坏细胞膜形成微小孔隙，IL-18、IL-1β和细胞内容物通过这些孔隙释放到胞外诱发炎症反应，并募集更多的炎症细胞聚集，扩大炎症反应，这种依赖于Caspase -1的细胞死亡方式称为经典途径细胞焦亡[3]。非经典途径细胞焦亡：人Caspase-4/5 通过CARD结构域直接识别宿主细胞质中细菌脂多糖，在胞内形成的大分子蛋白复合体发生寡聚而活化，直接切割 GSDMD导致细胞焦亡[4]。

2 GSDMD与呼吸系统疾病

2.1GSDMD与肺炎 肺炎是指气道、肺泡及肺间质的肺实质感染，可由病原微生物、理化因素、免疫损伤、药物等引起，在全世界所有年龄组中都有高发病率。焦亡是在细菌感染的吞噬细胞中被首次发现的，说明其与感染性疾病密切相关；研究发现肺炎链球菌、胸膜肺炎放线杆菌、白色念珠菌、耐药性金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌等病原微生物均被证实可诱导细胞发生焦亡[6]。GSDMD的 N 端不仅可通过直接杀伤游离细菌来参与感染过程中受损细胞的死亡，还可充当警报信号，促进免疫细胞募集进而促进病原体清除，防治感染并诱发病理性炎症。Li等研究发现，在肺炎诱导的脓毒症患者血液样本中IL-1β、IL-18、NLRC4、NLRP3、Caspase-1、GSDMD表达上调，其机制可能为，被IL-17激活的NF-κB与TLR4和NLRP3启动子区结合，提高了GSDMD的转录，从而促进细胞焦亡[7]。Liud等发现，肺炎支原体感染的患儿外周血单核细胞中IL-1β、IL-18、TNF-α、NLRP3的mRNA表达水平均升高，进一步的体外细胞研究证实，肺炎支原体感染可诱导A549细胞中NLRP3、Caspase-1、pro-Caspase-1和GSDMD-N的上调，而应用NLRP3抑制剂INF39和中药麻杏石肝汤可以下调NLRP3、Caspase -1、pro-IL-1β、GSDMD-N水平，减轻细胞焦亡、抑制促炎细胞的产生[8]。另有研究发现，在肺炎球菌引起的脓毒症中，IL-6可通过抑制肺炎球菌肺炎脓毒症中GSDMD介导的细胞焦亡来阻止肺巨噬细胞死亡、减轻肺炎症损伤[9]。此外，Peng等通过建立流感合并肺炎链球菌感染的小鼠模型，进行的动物实验表明：GSDMD介导的巨噬细胞焦亡通过增加炎症因子加剧肺炎症损伤，而应用IL-4和双硫合剂可通过抑制细胞焦亡来降低免疫细胞的死亡以及降低流感后肺炎链球菌合并感染的风险[10]。上述研究均提示：GSDMD 的致炎和抗炎作用使其可能成为肺炎抗菌和抗炎治疗的靶点。

2.2GSDMD与急性肺损伤 急性肺损伤是由各种直接或间接因素导致肺泡上皮细胞及毛细血管内皮细胞损伤，造成弥漫性肺间质和肺泡水肿，进而导致急性低氧性呼吸功能不全[11]。细胞焦亡通过参与固有免疫反应来保护机体免受病原微生物的感染，但如果细胞焦亡被过度激活，则会导致细胞大量死亡、组织损伤、器官衰竭甚至脓毒性休克等病理状态。张晓等研究表明，与正常对照组相比，机械通气相关性肺损伤的小鼠肺组织中GSDMD-N表达上调[12]。另一项研究则发现注射鸢尾素后，可减轻大鼠呼吸机相关性肺损伤，其机制可能与抑制细胞焦亡中GSDMD、Caspase-1活性有关[13]。还有研究通过动物实验表明：在脂多糖所致的急性肺损伤小鼠中，存在GSDMD蛋白的表达与活化，而GSDMD基因敲除后，脂多糖所致的小鼠肺组织炎症水平与肺组织损伤程度均减轻[14]。解健等对急性呼吸窘迫综合征患者血液中性粒细胞中GSDMD的表达水平进行检测，结果显示：较健康志愿者，GSDMD在急性呼吸窘迫综合征患者中的表达水平显着升高；进一步的动物实验研究证实：急性肺损伤小鼠肺部浸润的中性粒细胞焦亡水平升高，而经过特异性敲除GSDMD后，急性肺损伤小鼠肺组织受损程度、肺部炎症水平得到明显缓解[15]。上述研究均说明，调控细胞焦亡可能成为防治急性肺损伤的一个突破点。

2.3GSDMD与支气管哮喘 支气管哮喘是一种以气道慢性炎症为特征的呼吸系统疾病，目前对其发病机制的研究主要集中于气道炎症机制、免疫调节机制、遗传及环境因素以及神经调节机制等方面[16]。由感染性或非感染性刺激引起的炎症小体可激活气道上皮中GSDMD介导的细胞焦亡，引起的气道上皮损伤可诱发气道高敏感性和高反应性，诱发持续气道炎症。有研究在哮喘小鼠肺组织中检测到NLRP3、Caspase 1、GSDMD-N表达水平增加，说明哮喘过程中可能存在细胞焦亡的过度激活[17]。刘帆等研究发现，在肥胖型哮喘小鼠的支气管上皮细胞中NLRP3、GSDMD高表达并影响气道重塑，其机制可能为血清类黏蛋白1样蛋白3促进下游因子高表达，激活GSDMD介导的细胞焦亡，进而加重了气道重塑，诱发哮喘[18]。Zhuang等通过构建体内外模型，发现甲苯二异氰酸酯可导致人、小鼠支气管上皮细胞发生焦亡，其机制可能为GSDMD介导的细胞焦亡被激活后，通过招募中性粒细胞和嗜酸性粒细胞来加剧气道炎性上皮损伤；而应用NLRP3炎症小体抑制剂可通过降低支气管上皮细胞中的Caspase-1、GSDMD分解，来抑制炎症反应进而降低气道炎症和高反应性[19]。上述研究均表明哮喘发病过程中存在细胞焦亡的过度激活，GSDMD介导的焦亡可能是哮喘的潜在治疗靶点。

2.4GSDMD与慢性阻塞性肺疾病 慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)的发生与多种因素有关，包括空气污染、呼吸道感染、遗传、气道反应性增高等，特别是烟草暴露引起的支气管和肺泡上皮细胞损伤被认为是COPD的重要发病机制[20]。炎症反应和细胞死亡是与COPD相关的两个最重要的致病因素,而细胞焦亡过程中上皮细胞死亡、大量释放的炎症因子，引起的扩大炎症反应可能与COPD持续存在的气道损伤与气道重塑有关。Wang等研究发现，在香烟烟雾诱导的COPD大鼠模型及体外培养细胞中，GSDMD介导的细胞焦亡在COPD发生发展中发挥作用，而硫化氢可以通过靶向抑制TLR4/NF-κB通路显着降低细胞焦亡[21]。Rao等研究发现在COPD患者和COPD小鼠模型的气道上皮细胞中，GSDMD-N/GSDMD-C的表达增加；进一步的体外细胞实验表明，香烟烟雾提取物可诱导GSDMD-N在气道上皮细胞中的表达上调；应用药物抑制GSK205或敲减TRPV4功能后，可作用于Ca2+/NLRP3/caspase-1/GSDMD途径减弱香烟烟雾诱导的细胞凋亡[22]。Mo等研究发现，尼古丁暴露可通过提高气道上皮细胞中Caspase-1、IL-1β、IL-18、NLRP3、ASC和GSDMD的表达抑制细胞增殖、促进细胞死亡，进而参与COPD的进展[23]。因此，进一步研究COPD与支气管上皮细胞焦亡的关系，能够增加人们对COPD的认识，为疾病的诊疗提供帮助。

2.5GSDMD与肺癌 近年来，GSDMD被证实在多数肿瘤中均有表达差异，可作为肾上腺皮质癌、肾癌、神经胶质瘤、肝细胞癌、黑色素瘤和直肠腺癌等恶性肿瘤的预后标志物[24]。一方面炎性小体可以诱导肿瘤细胞发生焦亡，抑制肿瘤细胞的增殖；另一方面，炎性小体的累积效应也可以形成适宜肿瘤细胞生长的微环境，起着促瘤生长的作用[25]。Gao等证明了GSDMD参与调节非小细胞肺癌细胞增殖，且GSDMD的表达量与肿瘤大小及TNM分期有关，其机制可能为GSDMD下调后可抑制线粒体凋亡通路和EGFR/Akt信号通路来抑制肿瘤增殖[26]。王莉等研究显示，GSDMD在肺癌组织中的表达高于癌旁正常组织，通过在肺癌细胞A549中下调GSDMD的表达，可抑制癌细胞的增殖、迁移、侵袭能力[27]。Cheng等在肿瘤裸鼠模型和A549细胞耐药模型中验证，麦冬戈青素B可通过GSDMD介导的细胞焦亡抑制非小细胞肺癌细胞的增殖，并减轻肺癌细胞对顺铂的耐药性[28]。Yuan等发现在非小细胞肺癌细胞和非小细胞肺癌小鼠模型中，葫芦素B直接结合toll样受体4 后激活NLRP3炎症小体，进而导致GSDMD的N-末端和c -末端分离介导细胞焦亡，最终通过焦亡作用发挥抗肿瘤作用[29]。Teng等报道了从延龄草中分离的PPVI可显着抑制非小细胞肺癌的细胞增殖，进一步实验研究发现，在非小细胞肺癌裸鼠模型及H1299细胞中，PPVI可通过ROS/NF-κB/NLRP3/GSDMD信号轴发挥作用，调控细胞焦亡进而抑制非小细胞肺癌的进展[30]。综述所述，GSDMD在肺癌的进展中起着重要作用，GSDMD可能成为肺癌的潜在治疗靶点。

3 展 望

虽然GSDMD在焦亡中的作用近期才被发现，已有研究人员已经开始寻找能阻断GSDMD功能的小分子抑制剂来减轻细胞焦亡带来的不利影响[31]。目前对GSDMD介导的细胞焦亡在呼吸系统疾病中的研究才刚刚起步，无论是致病机制还是其在疾病发生发展进程中的作用与地位都有待进一步更细致的研究，相信对细胞焦亡机制的深入探索可以为呼吸系统疾病的治疗寻找到新的靶点。