GSDME 介導的細胞焦亡在非腫瘤疾病中的研究進展

譚駿嵐，殷淑婷，易 健，3，李 霞，覃 麗，4，戴愛國，3*

（1.湖南中醫藥大學，湖南 長沙 410208；2.血管生物學與轉化醫學湖南省高校重點實驗室，湖南 長沙 410208；3.湖南中醫藥大學第一附屬醫院呼吸科，湖南 長沙 410007；4.湖南中醫藥大學藥學院，湖南 長沙 410208）

在生物體的生長和發育過程中，細胞死亡對于維持機體穩態至關重要。細胞死亡可分為兩種類型：意外的細胞死亡和程序性細胞死亡（programmed cell death, PCD）。 細胞焦亡是近年來發現的一種新的PCD 形式，其特征是細胞質膜孔形成、細胞水腫、膜破裂和炎癥因子的釋放，常見于嚴重感染后，也可發生在眾多慢性疾病中[1]。

細胞焦亡（pyroptosis）一詞源于希臘語中的“pyro”（發熱）和“ptosis”（下降）[2]，是一種不同于細胞凋亡和壞死性凋亡并受Gasdermin（GSDM）家族調控的炎癥性PCD，其主要特征是膜穿孔、細胞腫脹及細胞破裂[3]。 既往研究發現，Gasdermin D（GSDMD）是導致細胞焦亡的關鍵分子，其可被多種活化的天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶（cysteine-containing aspartate specific proteinase, Caspase） 特異性切割形成具有成孔活性的N 端結構域。近年來，在細胞焦亡的研究領域取得了新的突破，揭示GSDM 家族的另一成員Gasdermin E（GSDME）引起焦亡的新機制。GSDME 主要通過被Caspase-3 的切割作用獲得成孔活性，參與多種慢性疾病的發生發展。 此外，通過藥物靶向調控Caspase-3/GSDME 介導的細胞焦亡途徑已在多種疾病模型中展現出較大的治療潛力，未來有望臨床轉化。本文旨在總結GSDME 介導的焦亡分子機制及其在非腫瘤疾病中的應用研究進展，為臨床慢性疾病的防治提供新策略。

1 GSDME 參與細胞焦亡的機制

GSDM 基因家族成員主要包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、GSDME 和DFNB59，獨特的N 端結構域是該家族介導細胞焦亡發生的關鍵[4]。

2015 年，Nature 雜志發表的研究論文揭示GSDMD 為執行細胞焦亡的“劊子手”[5-6]。 此時，細胞焦亡發生途徑分為依賴Caspase-1 的經典途徑和依賴Caspase-4/5/11 的非經典途徑。 （1）依賴Caspase-1的經典途徑：在損傷相關分子模式（damage-associated molecular patterns, DAMPs）刺激下，炎癥小體（主要是NLRP3） 激活促進Caspase-1 的活化并對GSDMD 進行切割，產生N-GSDMD 片段，導致細胞膜孔形成，引起細胞破裂死亡及細胞內容物如乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase, LDH）、炎癥因子白介素1β（interleukin 1β, IL-1β）和白介素18（interleukin 18, IL-18）釋放，發揮促炎效應；（2）依賴Caspase-4/5/11 的非經典途徑： 該途徑不需要炎癥小體的活化，可由脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）直接激活Caspase-4/5/11 介導GSDMD 的切割，從而導致細胞焦亡的發生。

GSDME，又稱為耳聾常染色體顯性遺傳5（deafness autosomal dominant 5, DFNA5），于1998 年被首次研究發現[7]。 GSDME 的表達具有組織及細胞特異性。在小鼠中，GSDME 在耳蝸、胸腺、結腸、肺、腦、脾臟和小腸中表達，但在乳房、胃系統中不表達[8]。2017 年，ROGERS 等[9]和WANG 等[10]發現Caspase-3可特異性切割GSDME，從而介導細胞焦亡的發生，拉開了GSDME 介導細胞焦亡在疾病發生發展過程中作用機制研究的帷幕。 此外，在GSDME 介導的焦亡途徑中，死亡受體或線粒體通路激活Caspase-3并將GSDME 切割為N-GSDME，引起細胞膜穿孔和細胞焦亡。 此外，N-GSDME 的產生引起細胞膜的滲透性增加，導致細胞色素C 的釋放和Caspase-3介導的細胞凋亡，形成一個正反饋回路[11]。

2 GSDME 通過介導細胞焦亡影響非腫瘤疾病的發生發展

目前，GSDME 介導的細胞焦亡在腫瘤中的相關研究已較為深入[12]，近年來，其在非腫瘤疾病中的研究也已全面鋪開并取得了一定成果。

2.1 感染

2.1.1 細菌感染 肺炎鏈球菌性肺炎是最常見的細菌性肺炎，?？梢l機體強烈的炎癥反應。一般的抗感染及對癥支持治療通常可緩解疾病，但感染未得到有效控制會造成膿毒血癥，危及患者的生命。研究發現，在肺炎鏈球菌肺炎小鼠模型及體外經肺炎鏈球菌感染的肺泡巨噬細胞中，GSDMD 及GSDME 介導的細胞焦亡均被明顯激活，而IL-6 可通過抑制GSDME 和GSDMD 介導的細胞焦亡來預防肺巨噬細胞消耗和肺損傷[13]。

2.1.2 病毒感染 2013 年，H7N9 病毒造成1568 人感染，其中616 人死亡，大多數H7N9 患者出現嚴重肺炎和急性呼吸窘迫綜合征[14]。WAN 等[15]研究發現，H7N9 病毒可以在富含GSDME 的肺泡上皮細胞中激活Caspase-3 介導的細胞凋亡，并將其轉換為細胞焦亡。 相比野生型（wild type, WT）H7N9 病毒感染的小鼠，Gsdme-/-小鼠血清腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor alpha, TNF-α）等炎癥因子水平明顯下降， 且肺部損傷明顯減輕[15]。 腸道病毒71（en terovirus 71, EV71）是引起5 歲以下兒童手足口病的主要病原體，并且會導致一些患者產生嚴重的神經系統癥狀[16]。 DONG 等[17]研究發現，EV71 能誘導HeLa 和SK-N-SH 細胞發生Caspase-3/GSDME 介導的細胞焦亡。 在體內研究中發現，相比較WT 小鼠，Gsdme-/-小鼠在EV71 感染期間出現神經系統表現的時間更晚且存活時間更長[17]。 ORZALLI 等[18]研究發現，單純皰疹病毒1（herpes simplex virus 1, HSV-1） 和水泡性口炎病毒 （vesicular stomatitis virus,VSV） 感染可引起B 細胞淋巴瘤2 （B cell lymphoma-2, Bcl-2） 家族成員髓細胞白血病1（myeloid cell leukemia 1, MCL-1）耗竭和Bcl-xL 失活，造成線粒體損傷， 并誘導人類角質形成細胞Caspase-3/GSDME 依賴性焦亡。

2.2 自身免疫性疾病

2.2.1 類風濕關節炎 類風濕關節炎（rheumatoid arthritis, RA）是一種自身免疫性疾病，其特征是持續性滑膜炎、全身性炎癥、軟骨損傷和骨侵蝕，最終導致殘疾和生活質量下降[19]。 滑膜中成纖維細胞樣滑膜細胞（fibroblast-like synovial cells, FLSs）的異常激活是滑膜炎癥和關節損傷的初始事件，可顯著加重RA 的進展[20]。 在LPS 刺激的滑膜成纖維細胞RSC-364 細胞所構建的滑膜炎細胞模型中，YANG 等[21]研究 發 現，LPS 可 通 過NLRP3/Caspase-1/GSDMD 和Caspase-3/GSDME 兩條信號通路誘導滑膜成纖維細胞的焦亡。 在體外原代培養RA 患者滑膜成纖維細胞中，同樣發現GSDME-N 的高表達，而使用siRNA敲低GSDME 后可顯著抑制TNF-α+缺氧誘導的RA-FLSs 焦亡，并抑制RA-FLSs 的增殖、遷移及侵襲[22]。研究發現，相比較骨關節炎患者，RA 患者滑膜組織中活化的Caspase-3 及GSDME-N 表達明顯升高，并且GSDME-N 的表達與RA 疾病活動呈正相關[23]。進一步體外研究發現，RA 滑膜巨噬細胞和循環單核細胞顯示出活化的Caspase-3 和GSDME 的高表達，并且TNF 可誘導Caspase-3/GSDME 介導的細胞焦亡。 在一項體內研究中發現，相比較野生型膠原誘導性關節炎（collagen-induced arthritis, CIA）小鼠，患有CIA 的Gsdme-/-小鼠關節炎的發病率降低且滑膜炎明顯減輕[23]。 因此，GSDME 介導的細胞焦亡與RA 的發病機制密切相關，靶向GSDME 可能是RA的潛在治療方法。

2.2.2 炎性腸病 炎性腸病（inflammatory bowel disease, IBD）主要包括克羅恩?。–rohn's disease,CD）和潰瘍性結腸炎（ulcerative colitis, UC），是胃腸道異常炎癥性疾病，與機體免疫系統失衡密切相關[24]。 腸道黏膜異常和過度炎癥反應是IBD 的特征性病理改變，也是其病情遷延不愈的重要因素。細胞焦亡促進炎癥，因而在IBD 中發揮重要作用。 臨床研究發現，患者血清中CD147 高表達，并通過激活核轉錄因子-κB（nuclear factor kappa B, NF-κB）促進GSDMD 和GSDME 介導的細胞焦亡，從而導致促炎因子IL-1β 和IL-18 的分泌明顯增加，加重炎癥損傷[25]。研究發現，與健康人群相比，CD 患者結腸黏膜中GSDME 的表達明顯升高，并且處于活動期的CD 患者結腸黏膜中有著更高水平的GSDMENT，并伴有Caspase-8 和Caspase-3 的激活[26]。 與此一致，在2,4,6-三硝基苯磺酸（2,4,6-trinitrobenzenesulfonic acid, TNBS）誘導的結腸炎模型中，Gsdme-/-小鼠相比WT 小鼠的結腸黏膜炎癥明顯減輕。從機制上來說，TNBS 可誘導腸上皮細胞發生Caspase-8/Caspase-3/GSDME 依賴性焦亡，導致促炎因子如（IL-1β、TNF-α 等）分泌增加，從而加重腸道黏膜炎癥[26]。

2.3 腎臟疾病

2.3.1 糖尿病腎病 糖尿病腎?。╠iabetic nephropathy, DN）是糖尿病最為常見的并發癥，其中過度的炎癥反應及氧化應激等是DN 的主要病理特征[27]。高葡萄糖條件下能誘導腎小球內皮細胞和足細胞、腎小管上皮細胞、腎小球系膜細胞發生焦亡，從而導致這些維持腎臟正常功能的細胞發生炎性損傷和變性，促進DN 的發生發展[28]。 近年來，GSDME 介導的細胞焦亡在DN 的發病中發揮了重要作用。 Z-DEVD-FMK 是一種Caspase-3 抑制劑，WEN 等[29]研究發現，Z-DEVD-FMK 可通過調節GSDME 的切割，從而改善糖尿病小鼠的蛋白尿、腎功能、腎小管間質纖維化。 在體外使用高葡萄糖條件培養的HK-2 細胞中發現，LDH 的釋放、GSDME 和GSDME-N 蛋白表達明顯升高。 反之，使用shRNA 質粒載體敲除GSDME 可明顯減輕高糖誘導的HK-2 焦亡，并抑制膠原蛋白1 和纖連蛋白的表達[29]。 因此，靶向GSDME 介導的細胞焦亡可為臨床DN 的治療提供新思路。

2.3.2 急性腎損傷 急性腎損傷（acute kidney injury, AKI）是一種常見的臨床并發癥，其特點是腎功能迅速下降。 AKI 是化療藥物的主要毒副作用。SHEN 等[30]研究發現，化療藥物（順鉑或多柔比星）通過ROS/JNK/Caspase/GSDME 信號通路誘導腎小管上皮細胞焦亡。 他們還探究了GSDME 在接受順鉑治療的小鼠腎細胞焦亡和順鉑誘導的AKI 發病機制中的作用，結果表明，Gsdme-/-小鼠的腎損傷及炎癥明顯減輕[30]。 研究發現，Caspase-3 的抑制阻止了GSDME 裂解為N-GSDME，改善了順鉑誘導的細胞焦亡和腎功能障礙[31]。 因此，針對GSDME 信號傳導的治療可能會減少藥物誘導的腎毒性。

2.3.3 腎纖維化 腎纖維化由腎小管細胞死亡和炎癥驅動，可導致各種慢性腎臟疾?。╟hronic kidney disease, CKD）中的腎功能障礙。 CHUNG 等[32]研究證實，在單側輸尿管梗阻（unilateral ureteral ligation,UUO）小鼠模型中，細胞焦亡促進腎間質纖維化。 這種參與可能與炎癥有關，但機制仍然未知。LI 等[33]研究發現TNF-α/Caspase-3/GSDME 介導的細胞焦亡是導致輸尿管梗阻后引起繼發腎纖維化、炎癥及腎積水的關鍵。而抑制Caspase-3 或GSDME 可顯著減輕UUO 小鼠的腎纖維化及腎小管損傷[33]。 WU 等[34]同樣發現，GSDME 的激活介導的細胞焦亡可能通過促進CKD 中的炎癥反應來加重腎纖維化和腎功能障礙。

2.4 心血管疾病

GSDME 介導的細胞焦亡在心血管疾病的發生發展中同樣發揮重要作用。 組蛋白脫乙酰酶11（histone deacetylase 11, HDAC11）在高脂飲食誘導的ApoE-/-動脈粥樣硬化小鼠的主動脈中高表達[35]，并廣泛參與炎癥。YAO 等[36]研究發現，HDAC11 可能通過調節ERG 乙?；せ頝LRP3/Caspase-1/GSDMD 和Caspase-3/GSDME 信號通路來介導人臍靜脈血管內皮細胞焦亡，從而促進動脈粥樣硬化的發生發展。 心臟毒性是化療藥物多柔比星的主要毒副作用，ZHENG 等[37]研究發現，多柔比星可通過Bnip3/Caspase-3/GSDME 途徑誘導心肌細胞焦亡。

3 靶向Caspase-3/GSDME 治療非腫瘤疾病

3.1 化學合成藥物

作為Caspase-3/GSDME 信號轉導的關鍵執行者，Caspase-3 在GSDME 介導的細胞焦亡中發揮重要作用。 目前，已經開發了幾種Caspase-3 抑制劑，在多種非腫瘤疾病模型中展現出較好的治療效果。Z-DEVD-FMK 是一種Caspase-3 抑制劑，通過抑制Caspase-3 介導的GSDME 切割從而對細胞焦亡產生抑制作用，并在腎纖維化及糖尿病腎病中展現出良好的治療效果[29，34]。 但也有研究發現，Z-DEVDFMK 的特異性較差，對其他半胱天冬酶，例如Caspase-2、Caspase-7、Caspase-8 和Caspase-10 似乎都存在抑制作用[38]。Ac-DEVD-CHO 是基于肽DEVD的Caspase-3 抑制劑，具有較強的特異性，能顯著抑制TNF-α 誘導的人牙齦上皮細胞焦亡[39]。 但在體內的細胞活性和穩定性較差是Ac-DEVD-CHO 最大的缺點[40]。 最近，CAO 研究團隊開發了一種新型GSDME衍生的Caspase-3 抑制劑Ac-DMPD-CMK/Ac-DMLDCMK，并發現其能顯著降低膽管結扎誘導的急性肝衰竭小鼠中ALT/AST 水平和LDH 釋放，減輕肝細胞損傷，且其效果明顯優于Z-DEVD-FMK[41]。此外，最近發現一種JNK 抑制劑SP600125 能抑制GSDME介導的細胞焦亡，并有效地改善狼瘡性腎炎小鼠的疾病活動程度[42]。在體外研究中發現，SP600125 能顯著抑制狼瘡患者血清誘導HK-2 細胞中GSDME 的表達及細胞焦亡[42]?？傮w而言，這些研究均具有一定的局限性，缺乏強有力的臨床研究來證實其藥物的真實有效性。

3.2 中藥

天然藥用植物是新藥開發的重要來源。 中藥槐耳是一種藥用真菌，首次記載于葛洪的《肘后備急方》中，具有顯著的抗炎活性。研究發現，中藥槐耳含藥血清可通過抑制GSDME 的表達來抑制OX7 抗體所誘導的腎系膜細胞焦亡[43]。 白藜蘆醇是一種多酚類物質，多種中藥如虎杖、決明子含有此成分，具有顯著抗炎、抗氧化活性。 王琳等[44]研究發現，白藜蘆醇可通過抑制Caspase-3/GSDME 介導的細胞焦亡，來減輕高糖誘導的腎小球系膜細胞損傷。 此外，丹參的主要活性成分丹參酮能抑制膿毒癥大鼠心肌組織中GSDME、Caspase-3 蛋白的表達，降低血清IL-1β、IL-18、TNF-α 等炎癥因子表達，從而改善膿毒癥大鼠心臟功能，減輕心肌損傷[45]。

除了單味中藥及中藥活性成分，中藥復方同樣對GSDME 介導的細胞焦亡具有顯著的調控作用。劉鳴昊等[46]研究發現，化痰祛濕方可通過抑制GSDMEN表達明顯改善LPS 誘導的巨噬細胞焦亡。 經典名方小半夏湯，臨床常用于治療嘔吐之證，療效極佳?，F代研究發現，小半夏湯能抑制化療性異食癖模型大鼠胃竇Caspase-3、GSDME、GSDME-N 蛋白的表達，降低大鼠血清IL-1β、IL-18 水平，從而減少化療所導致的大鼠胃竇組織細胞焦亡，改善化療性惡心嘔吐[47]。 這一研究為小半夏湯止嘔的療效提供了充分的科學解釋，也為其臨床的應用提供了科學依據。

4 結語與展望

近年來，GSDME 介導的細胞焦亡一直備受關注，但相關研究仍然有限。 總的來說，關于GSDME作為細胞焦亡的關鍵效應子的報道進一步提高了對GSDM 家族作為細胞死亡重要執行者的理解。 通過對文獻的系統研究，不難發現：（1）GSDME可作為一種潛在生物標志物，能反應疾病的嚴重程度。如在類風濕關節炎患者的滑膜組織中GSDME-N 的表達水平與疾病活動度呈正相關。 與此一致，在克羅恩病患者結腸黏膜中GSDME 的表達明顯升高， 并且處于活動期的患者結腸黏膜中有著更高水平的GSDME-N。（2）GSDME 也是眾多非腫瘤疾病的防治靶點。 一些細菌及病毒感染可特異性地誘導GSDME介導的細胞焦亡，釋放炎癥因子，引起細胞因子風暴從而導致多器官功能損害。 而在小鼠模型中特異性敲除GSDME 后，小鼠因病毒或細菌感染所引起的病理改變明顯減輕。 此外，在DN、腎纖維化、肝衰竭等疾病中，同樣發現GSDME 的表達明顯升高，通過使用Caspase-3/GSDME 途徑的特異性抑制藥物（如Z-DEVD-FMK、Ac-DEVD-CHO 等）或其他的工具藥，能顯著改善動物模型中疾病的病理改變。 但這些藥物的相關研究僅限于動物及細胞模型，缺乏強有力的臨床試驗來提供更高級別的循證醫學證據。此外，目前存在的針對Caspase-3/GSDME 途徑的抑制藥物或多或少存在特異性低、體內的細胞活性和穩定性較差等缺點。 這需要藥物化學、藥理學等科研工作者展開深入研究，對現有藥物進行結構修飾亦或開發出新的更為有效的Caspase-3 和GSDME抑制劑，以便未來的臨床轉化。 更為重要的是，天然藥用植物是新藥開發的重要來源，我國擁有豐富的中藥資源，從中草藥中開發出有效的針對GSDME 抑制劑具有較好的可行性。 目前，一些中藥活性成分似乎可通過誘導腫瘤細胞發生GSDME 介導的細胞焦亡，從而發揮抗腫瘤效應。 而在非腫瘤疾病中，一些單味中藥和中藥單體如槐耳、丹參酮、白藜蘆醇就初步展示了對GSDME 的抑制活性，但仍需進一步深入研究。 此外，中藥復方如小半夏湯等也展現了對GSDME 介導的細胞焦亡的調控作用，因而未來從中醫藥中開發靶向GSDME 藥物具有良好的應用前景。GSDME 介導的細胞焦亡與眾多非腫瘤疾病關系密切，或許未來GSDME 可作為一些疾病，特別是自身免疫及炎癥性疾病的治療及預后的新靶點，為這些難治性疾病帶來新希望。