焦孔素家族在皮膚病中的研究進展

周立雪,付麗新,陳 濤,△,李 倩

(1.遵義醫科大學,貴州 遵義 563000;2.成都市第二人民醫院,四川 成都 610017)

焦孔素是近年來新發現的一個執行細胞死亡的家族,因其具有強大的細胞焦亡作用,常作用于炎癥與變態反應性皮膚病、自身免疫性皮膚病、腫瘤性皮膚病等領域,但目前尚未發現關于焦孔素在皮膚病中的研究現狀的報道。該文就焦孔素在皮膚病中的研究進展展開綜述。

1 焦孔素家族

焦孔素的結構是由一個細胞毒性的N端結構域和一個C端的阻遏結構域,兩個結構域之間又通過一個柔性鏈接域構成[1]。炎性半胱氨酶是目前切割焦孔素最強的酶,它通過裂解焦孔素內部的鏈接域來促進焦孔素活化,將切割后N端結構域插入細胞膜后會寡聚形成一個具有27倍對稱性的寡聚膜孔,從而引起焦孔素構象改變從而誘導細胞焦亡[2]。焦孔素家族在人類中有6種分型:焦孔素A(GSDMA)、焦孔素B(GSDMB)、焦孔素C (GSDMC)、焦孔素D (GSDMD)、焦孔素E (GSDME)和PEJVAKIN(PJVK)[3];在小鼠中有10種分型:焦孔素A1-3、焦孔素C1-4、焦孔素D、焦孔素E 和PJVK),與人類中最大區別是小鼠中是沒有焦孔素B。

焦孔素A首先是從小鼠皮膚克隆的,在人類的食管、膀胱、皮膚的上皮細胞中表達[2],誘導細胞凋亡。據以往報道,Gsdma3有9種突變導致小鼠炎癥和脫發,與毛囊發育有關,攜帶Gsdma3的小鼠已被廣泛用于研究瘢痕性脫發中毛囊破壞的機制。

焦孔素B,小鼠當中沒有此類型,在人類的氣道上皮、食管、胃、肝、結腸等位置表達[4]。它很多癌癥相關,比如胃癌、肝癌、乳腺癌等,但是Gsdmb是如何促進癌癥細胞存活目前還不清楚。此外,GSDMB SNPs具有誘導氣道上皮細胞焦亡的作用,目前發現與哮喘、潰瘍性結腸炎等有關[5]。

焦孔素C在大腦皮層、內分泌組織、皮膚、氣管、食道、胃腸、陰道和膀胱等表達[6],是首先在小鼠轉移性黑色素瘤細胞中發現表達上調的基因,在黑素色瘤中強表達[7],它還可以降低結直腸癌細胞的增殖,在食管鱗狀細胞癌的中也有表達。

焦孔素D在食道、胃和皮膚中表達[2],已被證明會導致細胞炎癥壞死。是細胞焦亡唯一的執行者。研究表明GSDMD在caspase-4/5/11和caspase-1介導的多種炎性體下游被切割而發生的細胞焦亡[8,9]。焦孔素D被caspase-1和caspase-4/5/11切割后將其N末端效應結構域從 C末端抑制結構域中釋放出來,N-末端結構域在細胞膜中寡聚化并形成一個直徑為10～16 nm 的孔,通過該孔分泌較小直徑的底物,如IL-1β和IL-18等細胞因子[10],擾亂離子穩態和水的調節,最終導致強烈的炎癥和細胞死亡。雖然其他焦孔素家族成員沒有被炎性半胱天冬酶切割,但共享自抑制作用。

焦孔素E在大腦、子宮內膜、胎盤、腸道中表達[2],最初被克隆為常染色體顯性非綜合征聽力損失的候選基因。有研究表明斑馬魚焦孔素Eb的缺失導致了耳半圓形管的畸形[11],也有研究表明焦孔素E在腫瘤疾病當中也有表達,且是一個腫瘤抑制因子。

PJVK和焦孔素E一樣,是焦孔素最古老的成員,最初是從睪丸中克隆出來的,但它也在其他組織中廣泛表達,包括內耳的毛細胞和聽覺系統的其他細胞[12],所以也與耳聾或者聽力障礙有關。

據研究表明,焦孔素自20世紀首次報道后,因其強大的細胞焦亡作用,在一些皮膚性病中,如炎癥與變態反應性皮膚病、自身免疫性皮膚病、腫瘤性皮膚病等都發現了它的存在。

2 焦孔素與皮膚病

2.1 炎癥與變態反應性皮膚病

2.1.1銀屑病(psoriasis) 是一種由免疫因素介導的慢性炎癥性皮膚病,IL-17/IL-23 軸在發病中起重要作用[13]。國內有研究者證明[14,15]尋常型銀屑病患者血清IL-1β、IL-18水平升高,并且GSDMD和GSDMD-N在尋常型銀屑病患者皮損的表皮和真皮中表達均增高,但以表皮增高為主,這表明細胞焦亡相關細胞因子在銀屑病發病機制中可能發揮一定的作用。Deng等[16]在銀屑病患者使用環黃芪素(CDA)治療中,發現銀屑病的皮損處被大量巨噬細胞浸潤,這些巨噬細胞在銀屑病進展過程中會分泌許多促炎因子,包括 IL-1β、TNF-α 和 IL-6等。CAG明顯降低了巨噬細胞中咪喹莫特(IMQ) 觸發的 NLRP3 炎性體激活和 焦孔素D介導的細胞焦亡,通過抑制NLRP3炎癥小體介導的細胞焦亡來選擇性調節巨噬細胞功能,從而改善 IMQ誘導的銀屑病樣皮膚炎癥。這提示我們GSDMD也許可以成為銀屑病治療的新靶點。

2.1.2特應性皮炎(atopic dermatitis,AD) 是一種慢性復發性炎癥性皮膚病,伴有瘙癢,有明顯的遺傳傾向。炎癥介質的釋放、免疫的異常在AD中可能發揮了重要作用[17]。AD的先前表達是過敏性鼻炎(AR)和哮喘發展以及特異性致敏的先決條件,突出了表皮屏障在這些疾病發病機制中的重要性[18],AD、AR和哮喘是三種相互關聯的伴隨過敏性疾病,通常會從一種轉變為另一種。GSDMB 基因編碼來自焦孔素結構域家族的焦孔素B,這些蛋白質涉及與腫瘤發展和進展相關的各種細胞過程,例如分化、細胞周期控制和細胞凋亡[19]。Karunas 等[20]對GSDMB基因(RS7216389、RS2290400、RS2305480)的三個單核多態性(SNP)進行了薈萃分析,該研究涉及661名患有各種過敏性疾病(哮喘、AR和AD)的個體。結果顯示GSDMB基因SNP(rs7216389、rs2290400 和 rs2305480)與一般過敏性疾病發展的顯著關聯,其中RS7216389和RS2290400與哮喘的發展有關,rs2305480與過敏病理的組合形式——哮喘合并AR,哮喘合AR和AD有關,但是RS7216389和RS2290400多態性與無哮喘癥狀患者組AR和AD發展的關聯尚未被揭示,由于目前國內外關于GSDMB在AD中的研究還尚少,只能表明GSDMB與AD之間可能有著關聯,GSDMB在AD中具體發揮的生物作用還需繼續深入研究。

2.2 自身免疫性皮膚病

2.2.1脫發 毛發的生長周期可以分為生長期、退行期和休止期。在毛囊干細胞(HFSCS)的支持下,毛囊在整個出生后的整個生命中都經歷了反復的生長,消退和靜止期,所以毛囊干細胞的生態成分對維持毛囊的生物作用非常重要。Gsdma3基因的突變與瘢痕性脫發、角化過度、皮脂腺萎縮和角膜混濁有關[21],然而,皮膚炎癥的起源和原因是什么以及脫發是否由Gsdma3 突變小鼠的炎癥攻擊介導尚不完全清楚[22,23]。脫發中有11個表型(AE、BSK、DFL、FGN、M1BTLR、M2BTLR、MHDACLP1、RCO2、RE-DEN、RIM3和 RIKEN00745/+3)在GSDMA3突變小鼠系中可以觀察到[24]。Li等[25]使用組合的CRE/LOXP和RTTA/TRE系統來研究Gsdma3過表達對不同頭發周期階段的時空影響,發現Gsdma3介導的細胞死亡會影響頭發生長期啟動、進展和退行期-休止期轉變;誘導的Gsdma3表達會導致隆起內層塌陷和毛囊干細胞早熟激活,導致隨后毛囊退化,這可能是Gsdma3突變小鼠脫發的原因。并且表明失調的Gsdma3導致隆起內層壞死,以誘導毛發的脫落和立即進入生長期,而不經過休止期。Swirski等[24]通過使用基因測序和組織學方法來評估Gsdma3中的一種新的 C 末端突變( C+/H-)對小鼠皮脂腺和皮膚形態以及內眼瞼和角膜組織的瞼板腺的影響。發現C+/H-小鼠大約在1～2月時毛囊尚且存在,當到3～4月時,C+/H-小鼠皮膚上已經沒有了毛囊和皮脂腺。這表明當Gsdma3中的 C 末端突變時,C+/H-小鼠會表現出進行性脫發和皮膚皮脂腺退化,但目前還沒有在人的毛囊中有過研究,這或許會成為脫發治療的新靶點。

2.2.2系統性硬化癥(systemic sclerosis,SSC) 也稱為硬皮病,是一種原因不明的以局限性或彌漫性皮膚增厚和纖維化為特征的自身免疫性疾病,會影響皮膚和其他許多器官[26]。病變特點為血管和免疫功能障礙,最終導致皮膚硬化、血管缺血。除皮膚受累外,還可累及肺、心臟、腎臟、食管等多個器官[27]。Terao等[28]通過對日本和歐洲人群中的全基因組關聯研究(GWAS)進行META分析,包含4436例病例和14751例對照。評估了重要的單核多態性 (SNP) 與相鄰基因之間的關聯,對H3K4ME3(活性啟動子的代表性組蛋白標記)進行了富集分析,并擴展了SSC易感基因列表。結果發現了GSDMA和PRDM1,它們都與免疫功能相關并且與其他自身免疫性疾病相關,并且發現GSDMA中的RS3894194與系統硬化癥有著重大的關聯。Moreno等[29]對57名SSC患者和15名對照的單核細胞衍生巨噬細胞(MDM)進行了RNA測序和全基因組基因分型,結果表明RS3894194風險變異對SSC易感性可以通過巨噬細胞中的GSDMA表達介導,GSDMA在SSC MDMS中上調(P=8.4×10-4)但在皮膚中不上調。所以我們可以推測GSDMA的過表達可能會導致SSC細胞焦亡過程的失調。

2.3 腫瘤性皮膚病黑色素瘤是來源于黑色素細胞的一種高度惡性的腫瘤,多發生于皮膚,也可見于黏膜和內臟,約占全部腫瘤的3%。GSDMC,最初是從小鼠黑色素瘤細胞中分離出來的,并從小鼠黑色素瘤細胞B16-BL6 cDNA文庫中獲得,也稱為黑色素瘤來源的含有亮氨酸拉鏈的核外因子,并且小鼠GSDMC的表達水平與B16黑色素瘤細胞系的轉移能力增加而增加[8]。GSDME,被認為是一種腫瘤抑制因子[30],但它如何防止腫瘤發生以及為什么它在許多不同的癌癥類型中仍然是一個謎。近年來在對晚期黑色素瘤的患者的長期治療中取得了重大進展,如BRAF-MEK抑制劑組合與約33%的5年總生存率相關[31,32]。Smalley等[33]表明 BRAF-MEK抑制是通過焦孔素E裂解激活黑色素瘤細胞的焦亡,導致T細胞浸潤并改善體內治療反應。并且在作者的研究中證明了caspase-3介導的焦孔素E裂解在細胞焦亡中的作用,提供了BRAF抑制劑誘導的細胞凋亡和細胞焦亡相關的免疫刺激之間的潛在聯系。為了測試GSDME是否具有腫瘤抑制活性,Rogers等[34]使用了黑色素瘤小鼠模型,其中向WT C57BL/6J小鼠皮下注射WT或GSDME-KO(敲除GSDME)B16-OVA黑色素瘤細胞,并隨著時間的推移監測腫瘤生長。結果顯示GSDME-KO腫瘤的形成和生長速度明顯快于表達GSDME的腫瘤,證明GSDME是一種重要的新型線粒體成孔蛋白,它是通過從線粒體中釋放細胞色素C并激活內在的凋亡途徑來增強凋亡途徑的激活,表明GSDME可能會抑制腫瘤的活性。GSDME還可以通過上調介導細胞焦亡的caspase-3增加了對化療耐藥的黑色素瘤細胞的藥物敏感性[35],這表明在未來的研究中,我們或許可以關注如何利用GSDME來預測對癌癥對不同療法的反應,并且針對一些特異性的途徑研發新藥。

3 焦孔素家族的未來研究展望

自從將焦孔素家族鑒定為細胞焦亡的效應物以來,我們對這個新興的細胞死亡效應物家族有了新的理解,細胞焦亡作為程序性細胞死亡的一種形式,對許多疾病都有影響。目前焦孔素家族在皮膚病中的研究還比較表淺,但由于皮膚病中的諸多病種又與其他內外科疾病的病因及發病機制是有著交叉相關之處的,在許多疾病的研究中都已經描述了焦孔素家族在調節各種生理病理中的作用,比如急性胰腺炎、結腸炎、過敏性鼻炎、膿毒血癥、肝癌、乳腺癌、心血管疾病等都有對焦孔素家族有著相關的報道。且目前已經針對焦孔素家族的活動和功能提供了一些疾病治療的潛在策略,尤其是在感染、炎癥和腫瘤方面[36]。在未來的研究中,我們可以通過各種方法去結合焦孔素家族的功能來分析疾病,有助于我們識別特定的皮膚性病的臨床特征以及確定焦孔素家族在一些皮膚性病可能存在的治療靶點,進一步去深入了解炎癥性皮膚病、自身免疫性皮膚病腫瘤性皮膚病的機制和治療。