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最新基础医学论文 细胞焦亡在肾脏炎症性损伤中的作用研究进展

2018-11-25 14:39:11来源:组稿人论文网作者:婷婷

  【摘要】 细胞焦亡是由活化的Caspase-1触发的一种特殊的细胞程序性死亡。肾脏细胞焦亡在肾损伤中发挥着重要的作用。GSDMD切割焦亡关键蛋白Caspase-1引起下游炎症因子IL-18,IL-1β的成熟和释放引起肾脏炎症和细胞焦亡发生。本文从NLRP3激活导致肾脏炎症性损伤、GSDMD裂解引发细胞焦亡等角度,阐释NLRP3-Caspase-1—GSDMD介导的细胞焦亡在肾脏炎症性损伤中的作用。

  【关键词】肾脏炎症,细胞焦亡,NLRP3,caspase-1,GSDMD

  越来越多的证据表明,免疫细胞介导的组织炎症已成为器官损伤的关键机制。多种肾脏炎症损伤可激活NLRP3炎性体,通过IL-1β等“促炎性”细胞因子的成熟来触发先天性免疫防卫,以响应如感染和代谢失调等危险信号。近年来发现随着NLRP3炎性体的活化促进IL-1β和IL-18分泌并触发一种新的细胞程序性死亡途径-----细胞焦亡(pyroptosis),Gasdermin D(GSDMD)是细胞焦亡的决定性执行者。

  1.细胞焦亡的概念

  当宿主细胞遭受病原微生物的侵染或内源危险信号刺激时, 宿主细胞会发生Caspase-1或11依赖性的细胞焦亡。不同于细胞凋亡、坏死、胀亡和自噬的发生, 焦亡表现为细胞膜破裂并释放促炎性细胞内容物, 于是人们将这种死亡方式命名为“焦亡”。细胞焦亡以质膜形成直径约1.1-2.4nm的破裂孔为特征,因离子浓度梯度导致细胞渗透性肿胀,同时DNA断裂、弥散在细胞核内,质膜破裂,引起胞质内容大规模泄漏。焦亡主要发生在巨噬细胞和树突状细胞中,伴随着炎症因子的释放,同时因细胞溶解,胞质内容物的大量泄露,又使炎症信号逐级增大。焦亡是细胞死亡固有地导致炎症的途径之一, gasdermin D(GSDMD)是炎性体的另一个重要组成部分,经典炎性通路Caspase-1-gasdermin D(GSDMD)在触发细胞焦亡程序中起着决定性作用。

  2. NLRP3-Caspase-1-GSDMD在细胞焦亡中的作用

  2.1 NLRP3炎性体激活引起炎症损伤

  NLRP3炎症小体是一种多蛋白复合物,由NLRP3受体蛋白,凋亡相关点样蛋白(ASC)及胱天蛋白酶-1(caspase-1)前体相互连接并发生寡聚而形成。NLRP3作为固有免疫系统的感受器可以识别病原相关的分子模式(PAMP)及危险信号相关的分子模式(DAMP)。目前认为NLRP3活化的机制主要是钾离子外流,活性氧(ROS)产生,溶酶体破裂组织蛋白酶释放几个方面,其中线粒体ROS产生是激活NLRP3最重要的机制。目前也发现NLRP3的活化可独立于线粒体ROS的生成,NLRP3通路活化的关键在于线粒体心磷脂损伤 。炎症小体活化后发挥蛋白水解作用促进caspase-1前体的剪切,活性caspase-1进一步剪切促炎症细胞因子白细胞介素1-β(IL-1β)及白细胞介素18(IL-18)使之成为成熟的形式释放到细胞外。

  NLRP3下游分子Caspase-1触发细胞焦亡

  细胞死亡和炎症在多种疾病中作为两种重要的病理生理学机制 。细胞焦亡是炎症性坏死的形式之一,是先天免疫系统对病原体的关键应答。焦亡细胞将包括炎性因子在内的胞质内容物释放到细胞外,受感染细胞溶解,引起大量炎症反应损伤机体。经典焦亡途径中,Caspase-1处理前炎性细胞因子IL-1β、IL-18和IL-33成为有活性的形式,导致了宿主细胞死亡和炎症因子释放,因此焦亡可能是疾病中连接细胞死亡和炎症反应关键机制。然而,由焦亡细胞所释放的炎症因子并不是杀死细胞的凶手,所以细胞焦亡的发生和炎症因子的释放是同步进行的。

  为避免对宿主生物体过度损伤,细胞焦亡被炎性胱天蛋白酶,如Caspase-1和Caspase-11严密调控。44kd的Caspase-1前体由一个10kd的CARD结构域,一个大亚基(p20)和一个小亚基(p10)构成,寡聚化的Caspase-1靠近时导致其自动装配,释放CARD结构域,两个大亚基和两个小亚基成为四聚体而使Caspase-1活化。一些模式识别分子可直接与Caspase-1结合,一些通过与ASC的连接将信号放大来激活Caspase-1,完成炎性体的装配。Caspase-1还使炎性细胞因子IL-1β前体成熟,在焦亡细胞溶解期间释放。焦亡是caspase-1/4/5/11激活的主要反应,在巨噬细胞和非巨噬细胞中都可发生。尽管它们都能够引起细胞焦亡,但是只有Caspase-1引起炎症因子IL-1β/18的释放,Caspase-4/5/11间接地通过包含模式识别受体的炎性体激活Caspase-1来调节IL-1β/18的释放。大量证据表明焦亡在免疫和疾病中发挥了关键作用,Caspase-1缺失的小鼠对各种病原微生物易感,这种易感性就是因为缺乏合适的固有免疫应答导致成熟的IL-1β/和IL-18释放或者缺乏炎性细胞的死亡。

  2.3 GSDMD裂解Caspase-1是细胞焦亡发生的关键机制

  最新的研究表明,Caspase介导蛋白质gasderminD(GSDMD)的裂解产生了诱导焦亡活性本质的氨基末端片段。GSDMD是包含不良特征的gasdermin基因域,并且缺乏明显的信号肽或跨膜片段的一个487个氨基酸的胞质蛋白质,全长GSDMD有53kd。Caspase-1裂解GSDMD,抑制其羧基端结构域并释放其氨基末端结构域,N末端结构域(约31kd)直接或间接地驱动焦亡,GSDMD是Caspase-1诱导细胞焦亡的必需基因。GSDMD由Caspase-1或Caspase-11特异性切割天冬氨酸第276个氨基酸残基位点活化,该裂解位点的突变可彻底废除焦亡。被切割后留下的N-末端结构域足以诱导出焦亡的形态特征的细胞死亡,如果其过度表达,羧基端结构域与N-末端结构域结合,阻断细胞焦亡]。GSDMD仅用于炎性细胞死亡——焦亡,在细胞焦亡中具有特异性作用。GSDMD控制IL-1β的释放但不控制其成熟,IL-1β释放伴随着焦亡细胞的溶解 。

  3. NLRP3炎性体激活和细胞焦亡参与肾脏免疫炎症损伤

  研究证实,NLRP3的激活及其介导的炎症反应在多种肾脏疾病中发挥重要作用。活性氧通过TXNIP激活NLRP3炎性体在高草酸尿症和草酸钙结晶肾炎中激发炎症应答。蛋白尿通过线粒体活性氧激活细胞质NLRP3炎性体引发肾小管间质炎症。在尿酸性肾病中,尿酸结晶、可溶性尿酸及尿酸前体物质黄嘌呤氧化酶(XO)都能够通过NLRP3炎性体促进IL-1β分泌。在果糖诱导脂质障碍大鼠中,也会引起以肾脏NLRP3,ASC,Caspase-1和下游炎症因子IL-1β/18过表达为特征的NLRP3炎性体激活 。

  近年来研究表明细胞焦亡通过NLRP3-Caspase-1炎性通路在肾脏疾病及模型中也发挥着重要作用。肾脏单核细胞,包括树突状细胞和巨噬细胞表达所有的NLRP3小体组件,一旦激活Caspase-1,即可发生细胞焦亡。在肾脏非免疫性实质细胞中,发现小管上皮细胞可通过激活NLRP3炎性体表达和释放IL-18,由此可能触发小管上皮细胞炎症和焦亡。在单侧输尿管结扎(UUO)大鼠肾损伤模型中,肾脏中焦亡相关蛋白Caspase-1和IL-1β表达增加,梗阻侧肾脏小管间质炎症浸润,发生纤维化、自噬、凋亡和焦亡的病理改变。在镉诱导血管内皮细胞损伤模型中,Caspase-1激活和SYTOX Green染色阳性证实镉首先通过激活内皮细胞NLRP3炎性体触发焦亡,并且在炎性体激活和焦亡过程中伴随着ROS的产生。在缺血再灌注大鼠模型中,焦亡相关蛋白Caspase-1和IL-1β显著上调,并且缺氧复氧状态下NRK-52E细胞焦亡孔径形成,乳酸脱氢酶释放,也证实了焦亡发生于肾小管上皮细胞。

  4.问题与展望

  细胞焦亡是一种细胞死亡模式,GSDMD是炎性体的重要组成部分,负责执行细胞焦亡和促使成熟的炎性因子释放。焦亡孔径形成是焦亡发生的特征,最新的研究[已经为我们揭示了gasdermin家族发挥焦亡效应的结构基础以及gasdermin家族N端结构域与脂质结合形成焦亡孔径的机制。GSDMD的发现为细胞焦亡和程序性细胞死亡的研究提供了一个新的平台,也为免疫炎症性疾病提供了一种新的治疗干预方法。但是,目前对细胞焦亡的研究大多是在细胞水平,从机体角度检测焦亡发生机制和作用的研究尚少。并且由于细胞死亡方式的多样性,焦亡在促细胞死亡的作用中所占比例仍然未知。而在机体水平,焦亡受何种分子水平的调节,焦亡对致病的重要性和关键性还需要研究者们孜孜不倦地探索。但是焦亡作为一种较为新兴的细胞死亡方式,尤其是肾脏免疫细胞及肾实质细胞如肾小管上皮细胞的炎症损伤和细胞焦亡的研究,将成为广大科研工作者探索减轻肾脏炎症损害的新课题,成为保护肾脏细胞功能新的治疗靶标。

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