细胞焦亡系列篇【1】什么是细胞焦亡及细胞焦亡的执行者：GSDMs家族

在之前的干货系列中，我们为大家介绍了细胞凋亡的相关内容。从本期开始，我们将开启一个全新的干货系列——细胞焦亡。作为另一种程序性细胞死亡方式，细胞焦亡与细胞凋亡有哪些区别与联系？本系列将系统解析细胞焦亡的分子机制及其关键效应分子。本期首先介绍细胞焦亡的基本概念与发生机制以及细胞焦亡的执行者：GSDMs家族，后续文章将逐一深入探讨介导该过程的其他重要分子及相关信号通路，希望能够为您的科研工作带来启发与助力。

一、什么是细胞焦亡？

细胞焦亡（pyroptosis）是一种程序性细胞死亡方式，具有鲜明的炎症特征。该术语最早由Cookson和Brennan于2001年提出，用于描述在感染过程中观察到的一种依赖半胱天冬酶（caspase）的细胞死亡形式[1,2]。细胞焦亡的主要特征包括细胞肿胀、质膜孔洞形成及细胞内容物释放，从而导致强烈的炎症反应，这些特征使其与凋亡（apoptosis）等其他程序性细胞死亡方式显著不同。作为天然免疫的重要组成部分，细胞焦亡在机体抵御病原体感染及应对内源性危险信号中发挥关键作用。

图1. 细胞焦亡的分子机制[1]

二、细胞焦亡的分子机制

细胞焦亡的分子机制极为精密复杂，涉及多种信号通路的激活和调控。根据激活方式和依赖的分子不同，细胞焦亡主要可分为经典途径、非经典途径和其他替代途径[2]。

1. 经典途径（Caspase-1依赖途径）[2]

经典途径是细胞焦亡中最具特征性的激活途径。该途径依赖于炎症小体（inflammasome）的组装和caspase-1的激活。当细胞检测到病原体相关分子模式（PAMPs）或损伤相关分子模式（DAMPs）时，会组装炎症小体。炎症小体组装后，会招募并激活caspase-1。活化的caspase-1具有双重功能：一方面，它切割Gasdermin D（GSDMD），产生N端结构域（GSDMD-N），后者易位至细胞膜形成孔隙；另一方面，它对pro-IL-1β和pro-IL-18进行蛋白水解加工，形成成熟形式的IL-1β和IL-18。GSDMD-N形成的孔隙允许细胞内容物（包括成熟的IL-1β和IL-18）释放到细胞外，引发强烈的炎症反应。

炎症小体是一种多蛋白复合物，通常由传感器蛋白（模式识别受体PRRs）、接头蛋白ASC（凋亡相关斑点样蛋白，含有caspase募集结构域CARD）和无活性的caspase-1前体蛋白（procaspase-1）组成。目前发现的炎症小体包括NLR家族、PYRIN家族和AIM2的成员。

不同刺激可激活不同的炎症小体并启动焦亡。与其他经典炎症小体不同，NLRP3并不直接识别特定PAMP或DAMP。细胞外ATP、成孔毒素（如尼日利亚霉素和 Maitotoxin）、某些外源或内源颗粒、病原体相关RNA、细菌和真菌毒素及组分、细胞内Ca²⁺升高和内质网应激等均可激活NLRP3，导致细胞内K⁺浓度下降和溶酶体胞质内容物外流，进而引发线粒体功能障碍。

NLRC4可不依赖衔接蛋白ASC独立诱导焦亡，但ASC的参与显著增强NLRC4诱导焦亡的能力。细菌鞭毛蛋白、鼠伤寒沙门氏菌PrgJ和伪鼻疽伯克霍尔德菌BsaK等III型分泌系统（T3SS）组成蛋白可触发NLRC4激活。

NLRP1的激活机制尚不明确，相关认识主要来自小鼠研究。与人类只有一个NLRP1基因不同，小鼠表达多个NLRP1等位基因，其中NLRP1B是主要研究对象。NLRP1可被炭疽致死毒素（LeTx）、dsRNA、肠道病毒3C蛋白酶、ORF45蛋白、dsDNA类似物poly(dA:dT)、UVB辐射及毒素诱导的核糖毒性应激反应（RSR）激活。值得注意的是，NLRP1的启动高度依赖于蛋白酶体活性，表明蛋白水解降解在其激活过程中起关键作用。NLRP1的切割可将其羧基端效应结构域从氨基端的抑制中释放，进而触发ASC斑点形成和caspase-1激活。NLRP1的自切割是其激活过程中不可或缺但非独立充分的一环。

AIM2炎症小体是一种不同于NLR炎症小体的胞质天然免疫传感器，其激活主要通过HIN200结构域响应损伤DNA、异常存在于胞质中的内源DNA以及由胞内病原体积累的外源DNA。AIM2不含有CARD结构域，因此其激活需要ASC的协助。

由Mefv基因编码的PYRIN作为吞噬性炎症小体传感器，响应细菌毒素对RhoA的操纵。与AIM2类似，pyrin通过其PYD结构域与ASC结合，在触发炎症小体组装中起关键作用。

图2 炎症小体的作用机制[3]

2. 非经典途径（Caspase-4/5/11依赖途径）[2]

非经典途径不依赖炎症小体和caspase-1，而是由caspase-4/5（人类）或caspase-11（小鼠）直接感知细胞内脂多糖（LPS）而激活。当革兰氏阴性菌突破细胞膜进入胞质时，其细胞壁成分LPS可直接与这些caspase结合并诱导其活化。

活化的caspase-4/5/11然后切割GSDMD，产生GSDMD-N片段，后者同样形成膜孔，导致细胞焦亡。值得注意的是，非经典途径通常不直接形成成熟的IL-1β和IL-18，但通过诱导细胞焦亡和K+外流，可能间接激活NLRP3炎症小体，从而促进这些细胞因子的成熟。

3.其他替代途径[2]

近年来，研究人员发现了多种不依赖于上述经典和非经典途径的细胞焦亡激活方式，大大扩展了对细胞焦亡调控网络的理解。

Caspase-3/GSDME通路：在某些情况下，化疗药物或线粒体凋亡途径的激活可导致caspase-3活化，活化的caspase-3能够切割Gasdermin E（GSDME），产生GSDME-N片段，诱导细胞焦亡。这一机制可将原本的凋亡信号转换为焦亡反应，增强免疫原性。

Caspase-8/GSDMC通路：在缺氧条件下，肿瘤坏死因子（TNF）可通过caspase-8切割GSDMC，诱导细胞焦亡。这一通路在肿瘤发展中可能发挥重要作用。

颗粒酶/GSDMB通路：细胞毒性淋巴细胞产生的颗粒酶A（GZMA）可直接切割GSDMB，产生具有成孔活性的N端片段，诱导靶细胞发生焦亡。这是免疫系统清除靶细胞的一种重要机制。

中性粒细胞特异性途径：在中性粒细胞中，GSDMD的切割不依赖于半胱天冬酶蛋白，而是依赖ELANE（一种组织特异性蛋白酶），这体现了细胞类型特异性的调控机制。

最终，各类途径均通过Gasdermin蛋白N端结构域在细胞膜上形成孔径约10–20 nm的孔道，破坏离子平衡，引起细胞肿胀、膜破裂及内容物释放。最新研究还表明，gasdermin孔可激活膜蛋白NINJ1，使其寡聚化并加剧膜破裂，释放大量DAMPs分子，进一步放大炎症应答。

三、介导细胞焦亡的关键因子

在细胞焦亡的精密调控过程中，多个关键基因和蛋白分子构成了其分子基础与执行核心，它们通过复杂的相互作用和信号级联，共同介导了这一重要的炎性程序性死亡过程。主要的核心因子及通路包括：

1.炎症小体（Inflammasome）——Caspase-1的激活平台

炎症小体作为多蛋白复合物，是感应内外源危险信号并启动焦亡的关键分子平台。主要包括：

NLRP3 炎症小体：可被多种PAMP/DAMP（如ATP、晶体、ROS等）激活，是研究最广泛的一类；

NLRC4 炎症小体：主要响应细菌鞭毛蛋白及III型分泌系统组分；

AIM2 炎症小体：可识别胞质双链DNA；

NLRP1 和 PYRIN 炎症小体：分别感知炭疽毒素和细菌毒素及Rho GTP酶失活。

2.Caspase 家族蛋白酶——核心上游调控因子

Caspase-1：依赖于炎症小体激活，是经典途径的核心。它既可切割GSDMD，又可活化IL-1β和IL-18，协同促进炎症反应。

Caspase-4/5/11：主要参与非经典焦亡途径，通过直接识别胞内LPS而被激活，进而切割GSDMD。

Caspase-3/8：在特定情境下参与替代性焦亡通路。Caspase-3可切割GSDME，而Caspase-8在缺氧或TNF信号刺激下可切割GSDMC。

3.Gasdermin 蛋白家族——细胞焦亡的最终执行者

Gasdermin 蛋白家族（在人类中主要包括GSDMA-E 和 DFNB59）是焦亡过程中膜孔形成的关键效应分子。其中GSDMD是目前研究最深入的成员，可被炎症性caspase（如caspase-1/4/5/11）切割，释放其N端结构域（GSDMD-NT）。该片段能够易位至细胞膜并寡聚化形成孔道，破坏细胞膜完整性，引起细胞肿胀、破裂及炎症因子释放。其他成员如GSDME 可被caspase-3激活，在特定条件下将凋亡信号转换为焦亡。

4.其他重要调控分子

颗粒酶（Granzymes）：如颗粒酶A由细胞毒性T细胞分泌，可直接切割GSDMB，诱导靶细胞焦亡；

NINJ1：最近发现的膜修复蛋白，可在焦亡后期被激活并介导质膜完全破裂；

IL-1β和IL-18：作为关键的炎性细胞因子，其成熟与释放不仅是焦亡的结果，也进一步放大炎症信号。

四、Gasdermin 家族蛋白——细胞焦亡的最终执行者[2]

Gasdermin 家族蛋白是近年来被鉴定出的一类关键调节分子，在细胞焦亡中发挥核心作用。人类中共有六个同源基因被鉴定：GSDMA-E 和 DFNB59（表1）。GSDM 在焦亡中的功能已较为明确，除DFNB59外，其余GSDM家族蛋白均具有相似的结构，包括一个具有成孔活性的N端结构域（NT）和一个具有自抑制功能的C端调节结构域（CT）。GSDMA-E的NT结构域能够插入脂质双层并形成跨膜孔道，这些 GSDM 孔道不仅能够穿孔质膜和线粒体膜，引发炎症性细胞死亡，还可促进炎症细胞因子和线粒体 DNA（mtDNA）等细胞成分的胞外释放，这些成分在多种疾病的发病机制中扮演重要角色。而DFNB59虽丧失成孔能力，仍可响应炎症和感染性刺激并保留一定生物学活性。

表1. GSDM家族蛋白

Gasdermin家族成员表现出明显的组织表达特异性（表1）。在不同身体部位，这些成员在感知、识别和防御感染方面的丰度存在差异，尤其在特定黏膜组织中更为显著。例如，GSDMA主要活跃于皮肤、消化系统和泌尿系统；GSDMB在皮肤、消化系统、呼吸系统及免疫细胞中占主导；GSDMC主要分布于皮肤、胃肠道和阴道上皮；GSDMD广泛表达于多数器官和免疫细胞；而GSDME主要定位于中枢神经系统、胎盘、心脏和小肠。此外，DFNB59主要在内耳和胃肠道中发挥作用。这种表达差异与GSDM家族在多种疾病中的作用密切相关。例如，GSDMB可能与哮喘发病相关，DFNB59功能缺失可能导致听力损失，而广泛表达的GSDMD可能参与多器官系统疾病的发病机制。

1.GSDMA

GSDMA是GSDM基因家族中首个被鉴定的成员，定位于染色体17q21.1。在人类细胞中，GSDMA的表达主要限于食管、膀胱和皮肤上皮细胞，但在胃癌中常被沉默，提示DNA甲基化可能参与其转录抑制。GSDMA与自噬和焦亡相关：功能获得性突变导致线粒体应激和ROS增加，其NT结构域具有促自噬活性，可诱导LC3-II增加。与其他GSDM成员不同，激活GSDMA介导的焦亡的蛋白酶直到最近才被鉴定。A组链球菌（GAS）是一种重要的皮肤病原体，其入侵时，SpeB通过自催化切割产生活性蛋白酶，直接靶向并切割GSDMA的Gln246位点，释放激活的NT结构域，促进受损细胞的焦亡性死亡。这一过程引发局部炎症反应并清除病原体，突出了GSDMA在宿主免疫中的关键作用。SpeB突变/抑制会阻碍GSDMA激活，触发局部免疫反应并扩散至全身，导致多器官感染。有趣的是，在非哺乳动物（如鸟类、两栖类和爬行类）中，GSDMA可被caspase-1切割，这一现象与哺乳动物中caspase-1介导的GSDMD切割一致，从进化角度重新揭示了GSDM调控免疫系统的精确性和复杂性。

2.GSDMB

GSDMB与GSDMA类似，也定位于17q21.1。与GSDMA相比，GSDMB表达谱更广泛，主要见于气道和胃肠道上皮、食管、胃、肝脏、小肠及免疫细胞。GSDMB在非经典焦亡中增强caspase-4活性，提示其在炎症中的潜在作用。早期证据表明GSDMB不能被炎症性caspase切割，但可被凋亡相关caspase-3/6/7切割，且切割后的NT产物可能不具完整成孔能力或直接参与炎症。最近一项研究显示，在凋亡过程中，活化caspase-7可切割GSDMB的D91位点，产生的片段（92–417 aa）有效抑制GSDMB片段（1–91 aa）与caspase-4的结合，从而阻止非经典焦亡。

GSDMB在多种癌症（如宫颈癌、乳腺癌、胃肠道癌和肝癌）中表达升高，且其高表达与不良预后相关，这可能与其核转位和转录调控功能有关，且独立于成孔作用。在炎症性肠病（IBD）中也验证了其独立于焦亡的功能：上皮来源的GSDMB优先参与细胞增殖、迁移和黏附相关遗传通路，而非焦亡，并能促进上皮修复和黏膜伤口愈合。GSDMB在肠上皮细胞（IEC）中参与焦亡和上皮修复，体现了其在生物体内的复杂功能，阐明其多面性活动的潜在机制是未来研究的重要方向。

3.GSDMC

GSDMC定位于染色体8q24.21，最初在转移性小鼠黑色素瘤细胞中被检测到，作为黑色素瘤进展的生物标志物。小鼠基因组中有四个Gsdmc同源基因（Gsdmc1-4）。GSDMC在多种组织中表达，包括气管、小肠、结肠、食管、皮肤、脾脏和阴道。GSDMC下调可抑制结直肠癌细胞增殖，提示其在胃肠道癌症中的潜在作用。但另一项研究显示，GSDMC在食管鳞癌中被抑制，表明它可能发挥肿瘤抑制作用。人工截短的GSDMC-NT可引发焦亡，且细胞内GSDMC可被caspase-8切割产生GSDMC-NT片段诱导焦亡。Hou等人发现，在乳腺癌细胞中，GSDMC能够将凋亡转化为焦亡，促进肿瘤坏死。在缺氧环境中，p-STAT3与PD-L1相互作用，导致其核转位并增强GSDMC转录。随着GSDMC表达升高，TNF促进caspase-8切割GSDMC，产生GSDMC-NT并促进焦亡。这些发现不仅深化了对细胞死亡机制的理解，也为癌症治疗提供了潜在新策略。

4.GSDMD

GSDMD是GSDM家族中被研究最广泛的成员，定位于染色体8q24.3，具有广泛的组织和免疫细胞分布。GSDMD包含一个31 kD的NT成孔结构域和一个22 kD的CT抑制结构域，中间由含切割位点（小鼠D276/人D275）的连接区连接。激活后，连接区被切断，GSDMD-NT从GSDMD-CT解离，插入质膜并寡聚成孔，导致细胞因子释放和离子/水调节紊乱。完整GSDMD处于非活性状态，但其NT结构域对细菌具有高毒性，表明其可能直接与细胞膜相互作用并导致裂解。

GSDMD可被不同分子蛋白酶解切割并激活：炎症小体介导的caspase-1激活和LPS介导的caspase-11/4/5激活导致GSDMD强烈切割；在适宜条件下，活化caspase-8也可切割GSDMD；此外，GSDMD还可被caspase-3切割，但caspase-3靶向其NT结构域，阻止功能性GSDMD-NT孔道组装。 这些caspase中，caspase-1是切割GSDMD最有效的催化剂，而caspase-8影响最小，可能在其他caspase受损时作为应急机制。

对GSDMD的逐步研究揭示，其功能不仅限于焦亡过程，还能独立执行多种生物学作用，如促进细胞因子的非常规释放和NETs的形成。GSDMD与多种疾病的发展相关，几种靶向GSDMD的抑制剂已在疾病模型中显示治疗效果。

5.GSDME

GSDME定位于染色体7p15.3，最初被认为与遗传性听力损失相关，与炎症过程无关。GSDME分布于耳蜗、胎盘、心脏、大脑和肾脏等多种组织中。随着研究深入，GSDME被确定为凋亡和焦亡的调节因子：该蛋白可被caspase-3切割，证据表明它在凋亡触发后诱导继发性坏死中发挥作用。缺乏GSDME时，细胞倾向于碎裂成微小凋亡小体而非完全裂解；或者，GSDME可靶向线粒体膜，促使细胞色素c外流，促进凋亡细胞生成。上述情况发生在GSDME低表达时；然而，在GSDME高表达时，caspase-3激活导致蛋白切割，产生细胞膜穿孔、细胞肿胀、破裂和死亡。一项研究显示，在caspase-1缺失或功能障碍时，细胞焦亡仍可被触发，且不依赖GSDMD激活，可能由caspase-8激活caspase-3继而切割GSDME介导。

GSDME还作为一种潜在的肿瘤抑制因子，是p53的转录靶标，在多种恶性肿瘤中常通过甲基化表观遗传沉默，GSDME缺失会损害某些化疗药物的疗效。

6.DFNB59

如前所述，大多数GSDM显示一致的结构模式，但DNFB59除外（定位于染色体2q31.2）。作为GSDM家族中的远亲，它具有截短且非同源的CT结构域，在序列同源性上与其他GSDM不同。DNFB59广泛表达，在肺、肾、脑、内耳、肝、肠和睾丸等多个器官中检测到表达。该蛋白作为一种过氧化物酶体相关蛋白，对毛细胞和听觉神经元在氧化应激条件下过氧化物酶体增殖至关重要。DNFB59感知声音诱导的ROS并激活自噬机制以降解受损过氧化物酶体。DNFB59的确切性质仍不清楚：它是否作为成孔蛋白或具有内在活性尚无定论，这归因于其截短的CT结构域可能不足以抑制孔道形成。值得进一步探索DNFB59是否在过氧化物酶体膜上诱导孔道，并研究相关蛋白是否通过抑制或激活调节其功能。

综上所述，自发现GSDM作为焦亡的关键执行者以来，大量研究报道了GSDM激活与多种病理背景相关的证据。此外，触发GSDM激活的自发突变与多种疾病相关，包括脱发（GSDMA）、哮喘（GSDMB）和听力损失（GSDME/DFNB59）。积累的证据表明，GSDM可能参与调节感染和癌症，提示GSDM 在这些疾病的病因和进展中存在复杂关系。1066vip威尼斯生物专营病毒包装十余载，建立了庞大的基因研究现货工具库，现可提供GSDM家族基因研究相关产品，也可定制靶向特异性组织或细胞的基因调控工具，包括慢病毒（Lentivirus, LV）、腺病毒（Adenovirus, AD）、腺相关病毒（Adeno-associated-virus, AAV）以及质粒等，如有技术或产品需求，欢迎随时咨询1066vip威尼斯生物微信公众号或拨打官网技术服务热线：400-092-0065。本期内容到这里就结束了，下期我们将会继续分享细胞焦亡相关的基因家族，敬请关注。

表2. 1066vip威尼斯生物GSDM相关现货

参考文献：

[1]Gao, Weitong, Wang, Xueying, Zhou, Yang, Wang, Xueqian, Yu, Yan. Autophagy, ferroptosis, pyroptosis, and necroptosis in tumor immunotherapy. Signal transduction and targeted therapy, 2022.

[2]Chenglong Zhu, Sheng Xu, Ruoyu Jiang, Yizhi Yu, Jinjun Bian and Zui Zou.The gasdermin family: emerging therapeutic targets in diseases.Signal transduction and targeted therapy, 2024.

[3]Mariathasan, Sanjeev, Newton, Kim, Monack, Denise M, Vucic, Domagoj, French, Dorothy M. Differential activation of the inflammasome by caspase-1 adaptors ASC and Ipaf. Nature, 2004.