【细胞焦亡重点详解】看完帮你打开研究思路！
细胞死亡是生命现象不可逆停止及生命的结束，正常的组织中经常发生细胞死亡，是维持组织机能和形态所必须的，包括细胞程序性死亡、细胞凋亡和细胞坏死等“N种死法”。
除了这些研究较多的细胞死亡，近年来炙手可热的研究方向比如铁死亡、细胞焦亡也是细胞程序性死亡的一员。
细胞死亡相关内容推荐 ●●
// 1
// 2
// 3
// 4
今天咱们就深入聊聊国自然热点——细胞焦亡的相关内容
细胞焦亡（Pyroptosis）是一种程序性细胞死亡方式，近年来被发现并证实。它依赖于炎性半胱天冬酶（主要是caspase-1，4，5，11）和Gasdermin家族蛋白，表现为细胞不断胀大直至细胞膜破裂，导致细胞内容物的释放进而激活强烈的炎症反应。因此，细胞焦亡也被称为炎性坏死（inflammatory necrosis）。
细胞焦亡的形态学特征、发生及调控机制等均不同于凋亡、坏死等其他细胞死亡方式。
在光镜下，焦亡细胞表现为细胞肿胀膨大，并且有许多气泡状突出物。相对于坏死细胞，细胞焦亡的肿胀程度更低。
在电镜下，可以清楚看到在细胞质膜破裂前，焦亡的细胞形成大量小泡，即焦亡小体。之后细胞膜上会形成孔隙，细胞膜破裂，内容物流出。
细胞焦亡的生化特征主要标志有炎症小体的形成，caspase和gasdermin的激活以及大量促炎症因子的释放。细胞焦亡在先天免疫反应中起重要作用，并且越来越多的证据显示它在肿瘤中也扮演重要角色。细胞焦亡不仅可以抑制肿瘤细胞增殖，还可以形成适合肿瘤细胞生长的微环境，促进肿瘤生长。
细胞焦亡具有经典通路与非经典通路之分，且其发生过程相对较快，伴随着大量促炎症因子的释放。了解细胞焦亡的机制和特点对于深入研究其在生物体中的作用，以及开发新的治疗策略具有重要意义。
细胞焦亡与凋亡的区别
特征 | 焦亡 | 凋亡 |
引发炎症 | 是 | 否 |
凋亡小体 | 否 | 是 |
焦亡小体 | 是 | 否 |
细胞核完整 | 是 | 否 |
质膜形成孔道 | 是 | 否 |
细胞肿胀 | 是 | 否 |
细胞收缩 | 否 | 是 |
渗透裂解 | 是 | 否 |
概述
当病原体侵入我们的身体，它们首先会遭遇宿主细胞的严密防线。这些细胞配备了一系列模式识别受体（PRRs），如Toll样受体（TLRs）、NOD样受体（NLRs）和RIG-I样受体（RLRs），它们能够敏锐地识别出入侵的病原体。
一旦病原体被识别，细胞会迅速作出反应，激活所谓的“炎症小体”。这些炎症小体由特定的蛋白质组成，如NLRP3、ASC和Caspase-1。它们形成了一个高效的分子机器，专门负责放大并传递炎症信号。
在炎症小体的作用下，Caspase-1这一关键的蛋白质被激活。活化的Caspase-1如同一个精准的剪刀，能够切割并激活一系列重要的分子，包括炎症性细胞因子前体（如pro-IL-1β和pro-IL-18）和Gasdermin D。
随着Gasdermin D的活化，其结构发生变化，产生两个片段。其中，活跃的N末端片段具有穿透细胞膜的能力，它能迅速在细胞膜上形成孔道。这些孔道导致细胞内外的液体和离子快速交换，使细胞迅速肿胀。
随着细胞肿胀加剧，细胞膜最终无法承受压力而破裂。这一过程中，细胞不仅被迫吸收外界离子和水分，还向外释放出其内部的内容物，包括关键的炎症因子IL-1β和IL-18。这些因子的释放进一步加剧了免疫系统的炎症反应，旨在清除病原体。
最后，为了限制炎症反应的持续扩大，周围的巨噬细胞会迅速清理这些破裂的细胞碎片和残余物质，帮助身体恢复到正常状态。这一过程确保了免疫反应的适度性，防止了对身体的过度损伤。
细胞焦亡分子机制
细胞焦亡的经典途径，是一种受到严格调控的细胞死亡方式，其核心在于炎症小体的介导作用。在这一途径中，GSDMD（Gasdermin D）的切割以及IL-1β和IL-18的释放起到了至关重要的作用。
炎症小体是一种复杂的多分子复合体，它的核心组成部分包括胞质模式识别受体（PRR）、Caspase募集结构域（CARD）以及caspase-1前体。这些组分协同工作，共同构成了细胞焦亡的触发机制。
当细胞受到焦亡诱导因子的刺激时，炎症小体迅速形成并激活caspase-1。活化的caspase-1一方面会切割GSDMD，产生具有活性的N端片段（N-GSDMD）。这个N端片段能够穿透细胞膜，形成孔道，导致细胞内容物的外泄和细胞肿胀。
另一方面，活化的caspase-1还会切割IL-1β和IL-18的前体，将它们转化为成熟的IL-1β和IL-18。这些成熟的炎症因子随后被释放到细胞外，进一步触发和加剧免疫反应。
在非经典细胞焦亡途径中，人类的caspase4/5（对应小鼠中的caspase11）扮演着关键角色。当这些caspase分子与LPS（脂多糖）结合时，它们会被激活，并进而切割GSDMD（Gasdermin D）。这一切割过程产生了具有活性的N-GSDMD片段。随着N-GSDMD的形成，K+离子开始从细胞内流出，这一外流现象是炎症小体形成的关键诱因。
此外，活化的caspase11还具有剪切Pannexin-1的能力。当Pannexin-1被切割后，它会诱导ATP（三磷酸腺苷）的释放。这种ATP的释放是焦亡过程的另一重要步骤，它能进一步加剧细胞的死亡和炎症反应。
Caspase-3 也被证明能激活 Gasdermin E，同样在细胞膜上形成孔隙，释放DAMP和细胞因子。
Caspase-6、Caspase-8 和 Caspase-9 的不同调节也会影响焦亡途径。
Gasdermins─焦亡的”守门人”
自2015年以来，gasdermin家族成员在细胞焦亡中的作用逐渐得到了详尽的阐释。多项研究确认了gasdermin家族成员作为细胞焦亡的最终效应蛋白的地位。因此，细胞焦亡现被定义为“由gasdermin介导的程序性坏死性细胞死亡”。
其中，gasdermin D（GSDMD）是该家族中的关键成员，它既是Caspase-1的底物，也是Caspase-4/5/11的共同目标。GSDMD由N端结构域（GSDMD-N）和C端结构域（GSDMD-C）组成。在全长状态下，GSDMD-C能够抑制GSDMD-N的活性。然而，当GSDMD被Caspases切割活化后，释放的GSDMD-N展现出内在的打孔活性。它能够结合膜脂质并形成孔道，这导致细胞因子和各种细胞质内容物的释放。最终，这一连串事件引发胞膜破裂，从而启动细胞焦亡过程。
除此之外，GSDME是另一个gasdermin家族成员，它能够被Caspase-3特异性切割并激活，进而触发焦亡。而细胞毒性淋巴细胞所分泌的颗粒酶A（Granzyme A，GZMA）则通过切割GSDMB来释放GSDMB-N片段，造成细胞穿孔，从而诱发细胞焦亡。
细胞焦亡检测方法
1.扫描电镜观察细胞形态●●
原理：细胞形态学发生改变，细胞肿胀透亮；
理由：膜孔道的形成过程中，细胞被迫吸收外界离子和水分，从而引起的细胞形态变化，如细胞质肿胀和膜破裂等。
1.IF/IHC●●
组织或细胞层面共染Gasdermin家族或Caspase可实现焦亡的组织\细胞共定位。
检测指标：
🔹gasdermin家族；
🔹Pro-Caspase及Caspase的激活；
2.WB ●●
在细胞焦亡的过程中Pro-Caspase、Caspase的激活诱导gasdermin家族裂解为活性的N末端片段可以形成孔道，以及促进IL-1β和IL-18前体的裂解。
检测指标：
🔹Gasdermin家族，如GSDMD、GSDME、GSDMB的切割；
🔹Pro-Caspase及Caspase的激活，主要是Caspase-1，Caspase-4，Caspase-5，Caspase-11；
🔹IL-1β和IL-18前体的切割成熟和释放；
3.ELISA●●
检测指标：IL-1β和IL-18的释放
4.PCR●●
检测指标：
🔹细胞焦亡效应分子: GSDMA、GSDMC、GSDMD、GSDME；
🔹促炎细胞因子: IL18、IL-1β、IL6；
🔹促炎CASPase: CASP1、CASP3、CASP4、CASP7、CASP8、CASP9、CASP14；
🔹炎症小体感受器: AIM2、NLRP1、NLRP3、NLRP9、NLRP10；
1.LDH，质膜孔隙形成的标志●●
当细胞发生焦亡时，细胞膜会破裂并释放 LDH。测定的吸光度（450nm）越高，表明检测物质的细胞毒性越强。
2.其他●●
CCK8、Annexin V/PI、染色质完整性检测（Tunel等）、Calcein释放实验等等。
最后我们还为大家汇总了不同细胞死亡信号通路及其异同情况，扫描下方二维码即可免费获取！
参考文献
<<上下滑动查看完整内容>>
加入社群
关于福麦斯
