環(huán)境污染物誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡途徑及其調(diào)控因素研究進(jìn)展

吳方慶 廖家萬(wàn)，2 高紅英 胡海洋 李紫婷 郭列萍 于童 羅友根，2，3

(1井岡山大學(xué)神經(jīng)退行性疾病與衰老研究中心，江西 吉安 343009；2吉安市醫(yī)藥生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3江蘇醫(yī)藥職業(yè)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部)

環(huán)境污染物是指人類在生產(chǎn)和生活活動(dòng)中產(chǎn)生的各種化學(xué)物質(zhì)，也有自然釋放的物質(zhì)，進(jìn)入環(huán)境直接或間接危害人和動(dòng)物健康，也稱環(huán)境毒物。按污染物來(lái)源分大氣、水系和土壤污染物，按污染物性質(zhì)分重金屬污染物、持久性有機(jī)污染物(POPs)、放射性核素污染等。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，各類污染物排放入環(huán)境中破壞生態(tài)平衡，危害生命健康，因此環(huán)境污染物誘導(dǎo)的細(xì)胞損傷備受關(guān)注。細(xì)胞焦亡(Pyroptosis)是一種細(xì)胞程序性死亡方式，其發(fā)生進(jìn)程較凋亡更快，常伴有炎癥反應(yīng)，在機(jī)體的固有免疫和適應(yīng)性免疫中均發(fā)揮重要作用。目前關(guān)于環(huán)境污染物與細(xì)胞焦亡的研究尚且不多，其誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡的機(jī)制還不夠詳盡，現(xiàn)就環(huán)境污染物誘導(dǎo)焦亡的研究進(jìn)展作一概述。

1 環(huán)境污染物在細(xì)胞損傷中的作用

大量流行病學(xué)和體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究表明，環(huán)境污染物可以通過(guò)誘導(dǎo)細(xì)胞衰老、凋亡、自噬等方式對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生損傷。細(xì)胞衰老是指隨著時(shí)間的推移，細(xì)胞的增殖能力和生理功能逐漸發(fā)生衰退的變化過(guò)程，其最終結(jié)果將導(dǎo)致細(xì)胞死亡。研究發(fā)現(xiàn)，POPs長(zhǎng)期暴露可造成機(jī)體全基因組和亞端粒區(qū)DNA甲基化水平改變進(jìn)而影響亞端粒區(qū)RNA的表達(dá)，而后者的上調(diào)反過(guò)來(lái)進(jìn)一步影響端粒長(zhǎng)度，并通過(guò)核轉(zhuǎn)錄因子(NF)-κB通路誘導(dǎo)慢性全身性炎癥，加速細(xì)胞衰老，促進(jìn)神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生〔1〕。細(xì)胞凋亡是指為維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，由基因控制的細(xì)胞自主的有序性的死亡，無(wú)炎癥反應(yīng)。重金屬指比重大于5(密度>5 g/cm3)的金屬，如汞、鎘、鎳、鉛和鉻等。有研究發(fā)現(xiàn)，鎘、鉛、銅、鉻四種重金屬污染物暴露均可影響斑馬魚成魚和胚胎凋亡相關(guān)基因的表達(dá)，發(fā)生氧化應(yīng)激，引起細(xì)胞凋亡〔2〕。自噬是一種廣泛存在于真核細(xì)胞中的生命現(xiàn)象，也是與細(xì)胞凋亡并列的非Caspase依賴的程序性細(xì)胞死亡方式。鉛脅迫通過(guò)哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)/失調(diào)51樣激酶(ULK)1信號(hào)通路誘導(dǎo)日本三角渦蟲細(xì)胞發(fā)生自噬〔3〕；鎘暴露可誘導(dǎo)小鼠脾臟及人B淋巴細(xì)胞系Ramos細(xì)胞中自噬生物標(biāo)識(shí)蛋白LC3-Ⅱ增加，而P62的蛋白水平下降，說(shuō)明鎘可以促進(jìn)細(xì)胞自噬〔4〕。

2 焦亡在細(xì)胞損傷中的作用

細(xì)胞焦亡是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一種新的更迅速地促炎性、程序性的細(xì)胞死亡方式。細(xì)胞發(fā)生焦亡時(shí)會(huì)出現(xiàn)透亮大泡樣結(jié)構(gòu)、細(xì)胞核濃縮、染色質(zhì) DNA斷裂〔5～7〕。焦亡途徑分為依賴于半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase)-1的經(jīng)典炎癥小體途徑〔6，8〕、依賴于Caspase-4/5/11的非經(jīng)典炎癥小體途徑〔6，7〕及Caspase-3/Gasdermin家族蛋白(GSDM)E途徑〔9〕。焦亡過(guò)程中最后剪切GSDMD或GSDME，形成氨基端產(chǎn)物(GSDMD-N/GSDME-N)，膜上出現(xiàn)15 nm左右的孔道〔10〕，小分子的細(xì)胞內(nèi)容物從孔道滲出，胞內(nèi)滲透壓上升導(dǎo)致細(xì)胞不斷脹大，最終破裂死亡。

細(xì)胞焦亡與炎癥反應(yīng)、腎臟疾病、動(dòng)脈粥樣硬化、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、感染性疾病及腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)。人腎小管上皮細(xì)胞經(jīng)過(guò)缺氧復(fù)氧處理后，焦亡相關(guān)蛋白和mRNA水平顯著升高，提示焦亡在腎缺血再灌注損傷中起著重要作用。在動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生早期，血管內(nèi)皮細(xì)胞焦亡可促進(jìn)單核細(xì)胞被招募進(jìn)內(nèi)膜；在晚期動(dòng)脈粥樣硬化病變中，焦亡參與了巨噬細(xì)胞的死亡過(guò)程。腦卒中時(shí)，核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白(NLRP)1和NLRP3過(guò)度激活，誘導(dǎo)了神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞焦亡〔11〕。上述研究表明，焦亡在細(xì)胞損傷中扮演了重要角色。

3 環(huán)境污染物誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡途徑及其調(diào)控

3.1Caspase-1/GSDMD經(jīng)典炎癥小體途徑 多種環(huán)境污染物可通過(guò)經(jīng)典炎癥小體途徑誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡。炎癥小體是一種蛋白復(fù)合體，是細(xì)胞感染或應(yīng)激時(shí)激活的分子平臺(tái)，能感受病原體相關(guān)分子模式(PAMPs)和危險(xiǎn)信號(hào)相關(guān)分子模式(DAMPs)的入侵。它由受體、接頭蛋白和效應(yīng)蛋白三部分組成，受體蛋白包括NLR家族(NLRP1，NLRP3/NLRP6，NLRC4及NAIP)和Pyhin家族(AIM2/IFI16)；接頭蛋白又稱銜接蛋白，即具有Caspase招募結(jié)構(gòu)域的凋亡相關(guān)點(diǎn)狀蛋白(ASC)；效應(yīng)蛋白為Caspase家族中的Caspase-1〔8〕。炎癥小體可切割活化Caspase-1，cleaved Caspase-1切割GSDMD，又可剪切修飾細(xì)胞炎性因子IL-1β、IL-18的前體，使其成熟并發(fā)揮促炎作用，對(duì)機(jī)體造成損傷。研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境污染物產(chǎn)生多種影響NLRP3炎癥小體活性的因素，通過(guò)經(jīng)典炎癥小體途徑誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生焦亡。

3.1.1硫氧還蛋白相互作用蛋白(TXNIP)對(duì)NLRP3炎癥小體活性的調(diào)控 TXNIP是細(xì)胞增殖和細(xì)胞凋亡等過(guò)程中起重要作用的調(diào)節(jié)因子，一般情況下，TXNIP和硫氧還蛋白(TRX)結(jié)合在一起。當(dāng)TXNIP游離出來(lái)就能與NLRP3結(jié)合，促進(jìn)NLRP3炎癥小體活化及下游白細(xì)胞介素(IL)-1β的成熟與釋放〔12〕。研究報(bào)道，鎘暴露可誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡〔13〕。Cao等〔14〕在小鼠腹腔注射CdCl2(2 mg/kg)，12 h后取出肝臟分析發(fā)現(xiàn)鎘暴露不僅引起肝臟氧化應(yīng)激而且上調(diào)TXNIP的mRNA和蛋白表達(dá)，說(shuō)明鎘激活了TXNIP-NLRP3炎癥小體通路，從而誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡。

3.1.2線粒體活性氧(ROS)對(duì)NLRP3炎癥小體活性的調(diào)控 線粒體是細(xì)胞進(jìn)行生物氧化和能量轉(zhuǎn)換的主要場(chǎng)所，細(xì)胞生命活動(dòng)所需能量的80%是由線粒體提供的，線粒體與細(xì)胞內(nèi)氧自由基(如ROS)的生成、細(xì)胞死亡及許多人類疾病的發(fā)生有密切關(guān)系。烹調(diào)油煙(COFs)衍生的PM2.5是指燃料燃燒煙氣與食用油及食物高溫加熱后產(chǎn)生的混合氣體，最新研究發(fā)現(xiàn)COFs來(lái)源的PM2.5可明顯影響人臍靜脈血管內(nèi)皮細(xì)胞的存活率，增加線粒體ROS水平，并上調(diào)NLRP3炎癥小體信號(hào)通路中涉及的蛋白質(zhì)和mRNA水平，細(xì)胞發(fā)生焦亡〔15〕。Chen等〔13〕使用線粒體ROS(mtROS)清除劑預(yù)處理則會(huì)抑制鎘暴露誘導(dǎo)的NLRP3炎癥小體激活和細(xì)胞焦亡，表明由mtROS激活的NLRP3炎癥小體也介導(dǎo)了鎘暴露誘導(dǎo)的血管內(nèi)皮細(xì)胞焦亡。多氯聯(lián)苯(PCBs)是一種持久性有機(jī)污染物，其高活性代謝產(chǎn)物PCB29-pQ的毒性作用主要與ROS生成增多有關(guān)。Dong等〔16〕證實(shí)PCB29-pQ刺激Hela細(xì)胞產(chǎn)生過(guò)量的ROS，NLRP3炎癥小體被激活，活化的Caspase-1剪切GSDMD，GSDMD-N端形成膜孔促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)炎性物質(zhì)的釋放，最終引起細(xì)胞焦亡。

3.1.3內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)應(yīng)激(ERS)對(duì)NLRP3炎癥小體活性的調(diào)控 ER是細(xì)胞內(nèi)重要的細(xì)胞器，負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)的折疊、修飾和組裝，調(diào)控脂質(zhì)合成，維持細(xì)胞內(nèi)鈣離子穩(wěn)態(tài)。ER功能紊亂將導(dǎo)致未折疊蛋白或錯(cuò)誤折疊蛋白在ER中發(fā)生堆積，引發(fā)ERS。為了減輕ERS，細(xì)胞啟動(dòng)未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)，UPR下游有3條通路：蛋白激酶R樣ER激酶(PERK)通路、肌醇依賴性激酶(IRE)1α通路和活化轉(zhuǎn)錄因子(ATF)6通路。在小鼠肝細(xì)胞中，ERS可激活NLRP3炎癥小體誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡〔17～19〕。張玫等〔20〕將大氣細(xì)顆粒物亞慢性暴露于大鼠肺，發(fā)現(xiàn)肺ERS相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)，引起ERS。ERS激活UPR下游的PERK、IRE1α通路誘導(dǎo)產(chǎn)生TXNIP，從而活化NLRP3；ERS還可以通過(guò)激活NF-κB通路在轉(zhuǎn)錄水平上促進(jìn)活化NLRP3炎癥小體〔21，22〕，其ATF-6活化激活NLRP3也會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡〔23〕。

3.1.4自噬對(duì)NLRP3炎癥小體活性的調(diào)控 苯并(α)芘又稱BaP或3，4-BaP，是一種多環(huán)芳烴類物質(zhì)，主要在食品烹飪過(guò)程中，由脂肪和淀粉等有機(jī)物高溫裂解產(chǎn)生，具有極強(qiáng)的細(xì)胞毒性和免疫毒性。BaP不僅引起細(xì)胞自噬，也可誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡，而且二者是有關(guān)聯(lián)的。Yuan等〔24〕研究發(fā)現(xiàn)，與BaP組相比，自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤(MA)顯著抑制乳酸脫氫酶(LDH)釋放和焦亡相關(guān)蛋白(Caspase-1，IL-1β，IL-18)的表達(dá)，而焦亡抑制劑Ac-YVAD-CM顯著減少BaP誘導(dǎo)的自噬性細(xì)胞死亡。總之，BaP同時(shí)誘導(dǎo)自噬和細(xì)胞焦亡，導(dǎo)致?lián)p傷，其中兩者在HL-7702肝細(xì)胞中共存并相互促進(jìn)。Li等〔25〕還發(fā)現(xiàn)BaP是通過(guò)阻斷HL-7702肝細(xì)胞中的PI3K/Akt信號(hào)傳導(dǎo)途徑誘導(dǎo)細(xì)胞自噬和焦亡的。

丙烯醛是一種活潑的α，β不飽和醛，是一種常見的環(huán)境污染物。它主要來(lái)源于香煙煙氣和廚房油煙這兩個(gè)方面，與中國(guó)婦女肺癌和心血管疾病有關(guān)。Jiang等〔26〕在人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞中觀察到丙烯醛處理后NLRP3炎癥小體活化，細(xì)胞發(fā)生自噬和焦亡。通過(guò)小干擾RNA敲低NLRP3顯著抑制丙烯醛誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡，Jiang等〔26〕還發(fā)現(xiàn)使用自噬抑制劑3-MA加劇了NLRP3炎癥小體的活化和細(xì)胞焦亡，而自噬誘導(dǎo)劑雷帕霉素(Rapa)抑制NLRP3炎癥小體的活化和細(xì)胞焦亡。上述研究表明自噬可以調(diào)控NLRP3炎癥小體的活化。

3.2Caspase-4/5/11/GSDMD非經(jīng)典炎癥小體途徑 鼠中的Caspase-11與人體中的Caspase-4/5同源，在胞內(nèi)可與脂多糖(LPS)結(jié)合活化，切割GSDMD誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡，這一過(guò)程不涉及炎癥小體，但生成的GSDMD-N又可促進(jìn)炎癥小體的形成和Caspase-1的活化〔6〕，Simard等〔23〕用銀納米顆粒處理人單核細(xì)胞激活Caspase-4，從而活化了NLRP3炎癥小體。因此，Caspase-4/5/11/GSDMD非經(jīng)典炎癥小體途徑誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡中也存在著Caspase-1/GSDMD經(jīng)典炎癥小體途徑，二者共同促進(jìn)細(xì)胞焦亡的發(fā)生。

苯是一種石油化工原料，其產(chǎn)量和生產(chǎn)技術(shù)水平是一個(gè)國(guó)家石油化工發(fā)展水平的標(biāo)志之一。苯的揮發(fā)性大，短期接觸損傷神經(jīng)系統(tǒng)，長(zhǎng)期接觸會(huì)引發(fā)再生障礙性貧血，急性髓性白血病和淋巴瘤等血液疾病。Yi等〔27〕通過(guò)對(duì)小鼠口服強(qiáng)飼苯溶液(150 mg/kg稀釋在玉米油中)收集血液和骨髓瘤細(xì)胞研究發(fā)現(xiàn)，白細(xì)胞數(shù)和骨髓細(xì)胞數(shù)顯著下降，更重要的是，Caspase-4和Caspase-12的表達(dá)顯著增加，并且凋亡檢測(cè)試驗(yàn)未檢測(cè)出凋亡細(xì)胞。Caspase-4活化后可能通過(guò)非經(jīng)典炎癥小體誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡，但環(huán)境污染物能否通過(guò)Caspase-4/5/11/GSDMD非經(jīng)典炎癥小體途徑誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡尚未被證實(shí)。

3.3Caspase-3/GSDME途徑 GSDME和GSDMD同屬Gasdermin蛋白家族，具有相似的結(jié)構(gòu)域，其活化片段GSDME-N也有成孔作用，Han等〔28〕研究發(fā)現(xiàn)化療藥物或腫瘤壞死因子(TNF)-α通過(guò)激活Caspase-3切割GSDME，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞焦亡。許多研究〔28～30〕發(fā)現(xiàn)環(huán)境污染物可活化Caspase-3，但環(huán)境污染物能否通過(guò)Caspase-3/GSDME途徑誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡？目前仍無(wú)資料證明。

綜上，環(huán)境污染物可通過(guò)TXNIP、細(xì)胞自噬、線粒體ROS、ERS等多種因素調(diào)控NLRP3炎癥小體的活性，經(jīng)Caspase-1/GSDMD經(jīng)典炎癥小體途徑誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡。然而，環(huán)境污染物能否經(jīng)Caspase-4/5/11/GSDMD和Caspase-3/GSDME非經(jīng)典途徑誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡，見圖1。目前尚無(wú)數(shù)據(jù)證明。不同于細(xì)胞凋亡，焦亡是伴炎性的細(xì)胞程序性死亡方式，細(xì)胞釋放致炎因子募集炎癥細(xì)胞，引起組織更嚴(yán)重的損傷，這提示在環(huán)境污染物導(dǎo)致的機(jī)體損傷中，如何抑制細(xì)胞焦亡成為治療環(huán)境污染物急性暴露的新思路。我國(guó)制造業(yè)、紡織業(yè)、重工業(yè)等污染的大量排放，在生態(tài)環(huán)境中蓄積，早已對(duì)人類健康造成了嚴(yán)重威脅，全面深刻研究環(huán)境污染物誘導(dǎo)的損傷機(jī)制，盡快開發(fā)相應(yīng)的藥物和針對(duì)性的治療措施，是亟待解決的問(wèn)題。

圖1 環(huán)境污染物誘導(dǎo)NLRP3炎癥小體介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡