综述 | 焦亡：分子机制及其在疾病中的作用

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Basic Information

• 英文标题：Pyroptosis: molecular mechanisms and roles in disease
• 中文标题：焦亡：分子机制及其在疾病中的作用
• 发表日期：03 April 2025
• 文章类型：Review Article
• 所属期刊：Cell Research
• 文章作者：Petr Broz
• 文章链接：https://www.nature.com/articles/s41422-025-01107-6

Abstract

Para_01

1. 焦亡是一种由细胞质中检测到病原体或内源性危险信号而触发的程序性坏死。
2. 焦亡细胞表现出肿胀、扩大的形态，并最终发生溶解，将其细胞质内容物——如蛋白质、代谢产物和核酸——释放到细胞外空间。
3. 这些分子可以作为与危险相关的分子模式（DAMPs），当被邻近细胞检测到时会引发炎症。
4. 从机制上讲，焦亡是由gasdermin蛋白家族成员启动的，这些成员在十年前被鉴定为细胞死亡的孔形成执行者。
5. 哺乳动物的gasdermins由一个细胞毒性N端结构域、一个灵活的连接子和一个结合并抑制N端的C端调节结构域组成。
6. 在连接子内的蛋白酶切割释放出N端结构域，使其能够靶向各种细胞膜，包括核膜、线粒体膜和质膜，在那里它形成大的跨膜孔。
7. 质膜中的gasdermin孔破坏了电化学梯度，导致水流入和细胞肿胀。
8. 它们的形成还激活了膜蛋白ninjurin-1（NINJ1），后者寡聚化以驱动完全的质膜破裂和大量DAMPs的释放。
9. 自从发现它们是孔形成蛋白以来，gasdermins不仅在宿主防御中与焦亡相关，还在各种病理条件下与焦亡相关。
10. 本文综述了焦亡的历史、对gasdermin激活的最新见解、孔形成对细胞的影响以及焦亡的生理作用。

Introduction

Para_01

1. 细胞死亡是一个必需的过程，对于多细胞生物的发育、组织稳态的维持以及免疫和宿主防御至关重要。
2. 程序性细胞死亡（PCD）的重要性体现在这样一个事实上：那些在调节细胞死亡诱导信号通路中存在缺陷的动物会在胚胎发育过程中死亡，表现出发育缺陷，或者更容易受到感染。
3. 细胞死亡最初被分为两种形式：一种是由特定信号级联调控的主动执行或调节形式的细胞死亡，称为凋亡；另一种是由外部因素（例如细胞损伤或毒素）引起的被动、无序的细胞溶解，称为坏死。
4. 凋亡是由特定的信号级联启动的，这些信号级联调节凋亡半胱氨酸蛋白酶的激活，这一类半胱氨酸蛋白酶执行细胞死亡，因此被归类为程序性细胞死亡。
5. 凋亡保持了质膜的完整性，因此通常被认为在免疫学上是沉默的，而坏死期间的质膜破裂（PMR）释放出的细胞质因子作为所谓的‘危险信号’或‘危险相关分子模式（DAMPs）’，即当被邻近细胞检测到时会驱动组织炎症的分子。

Para_02

1. 过去二十年的研究模糊了程序性细胞死亡（PCD）和坏死之间的区别，因为已经确定了几种额外的细胞死亡模式，它们都导致了一种程序化或受调节形式的坏死。
2. 这些模式中最被广泛研究的是焦亡、坏死性凋亡和铁死亡。
3. 在这篇综述中，我专注于焦亡，这是一种在20世纪90年代末首次报道的溶解性细胞死亡，作为对病原体感染免疫反应的一部分。
4. 焦亡主要与炎性小体复合物的激活有关，这些复合物是由模式识别受体（PRRs）在检测到病原体来源或内源性危险信号时组装的先天免疫信号平台。
5. 然而，自从发现gasdermins——一种引发焦亡的成孔蛋白家族以来，人们认识到焦亡也可以由许多其他信号通路诱导，而不依赖于炎性小体的激活。
6. 这导致了焦亡研究的迅速扩展，揭示了这种细胞死亡形式在免疫、发育和癌症中的重要功能。
7. 在此，我总结了在细胞水平上诱导焦亡的机制及其在疾病中的作用，特别关注最近对调节gasdermin激活和细胞死亡诱导的分子机制的见解。

Pyroptosis and the discovery of the gasdermins

Para_01

1. 关于细胞焦亡的最早报道可以追溯到20世纪90年代初，当时注意到炭疽杆菌毒素或志贺氏菌感染会导致巨噬细胞死亡（图1）。
2. 由于在志贺氏菌感染的细胞中很容易检测到DNA片段化，因此最初假设这种类型的细胞死亡是凋亡。
3. 后来的研究发现这种形式的细胞死亡也由其他微生物诱导，并且它涉及DNA片段化，但没有在凋亡细胞中观察到的典型核浓缩。
4. 此外，这种形式的细胞死亡导致质膜通透性和坏死形态，与凋亡诱导不一致。
5. 明确表明这种新型程序性坏死与凋亡不同的证据来自于发现其诱导不需要凋亡半胱天冬酶，而是依赖于炎性半胱天冬酶caspase-1。
6. 之前已确定caspase-1为白细胞介素（IL）-1转化酶（ICE），它可以将前体IL-1β/18切割成成熟分泌形式。
7. 与此一致的是，还发现caspase-1依赖的坏死与成熟的、具有生物活性的IL-1β/-18释放相关。
8. 为了清楚地区分这种新型死亡形式与偶然性坏死或程序性凋亡，2001年提出了细胞焦亡这一术语，该词源于希腊语pyro（意为火或发热）和ptosis（意为坠落），从而强调了这种细胞死亡形式的促炎特性。

Fig. 1: Key events in the history of pyroptosis.

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- 图片说明

◉ 时间线列出了自首次报道与细胞焦亡相关的重大发现以来的主要发现。

Para_02

1. 提出术语‘焦亡’与炎症小体的分子特征相吻合——这是caspase-1激活的平台。
2. 炎症小体是由细胞质模式识别受体（PRRs）在感染、损伤或有害物质存在时组装的信号复合物。
3. ‘经典’炎症小体通过Pyrin、AIM2、CARD8以及NOD样受体（NLR）家族的多个成员蛋白激活caspase-1，这些蛋白直接或间接检测病原体衍生信号（病原体相关分子模式，PAMPs）或内源性危险信号（DAMPs）。
4. 相反，非经典炎症小体途径最早于2011年报道，控制小鼠中caspase-11或人类中caspases-4/-5对细菌细胞壁成分脂多糖（LPS）的响应激活。
5. 由于炎症小体的激活不仅导致caspase-1依赖的IL-1β/-18生成，而且在大多数情况下也导致caspase依赖的细胞死亡，因此焦亡被重新定义为一种炎症小体依赖的细胞死亡和炎症小体的效应机制。
6. 然而，在另一个十年里，活性caspase-1、-11或-4如何诱导细胞死亡仍然未知。
7. 但是，这一过程需要caspase的蛋白水解活性，这表明一个或几个尚未确定的底物的裂解必须启动焦亡。

Para_03

1. 2015年发表的里程碑式研究最终报告，一种叫做gasdermin D (GSDMD) 的单一caspase底物是长期以来寻找的焦亡执行者。
2. GSDMD是一种53千道尔顿的细胞质蛋白，属于gasdermin蛋白家族，在人类中有6个成员（GSDMA、-B、-C、-D、-E和-F（也称为pejvakin, PJVK）），在小鼠中有10个成员（GSDMA1-3, GSDMC1-4, GSDMD, GSDME和PVJK）。
3. Gasdermins最早在2000年代初期被发现，并以第一个家族成员GSDMA在胃肠道和皮肤中的表达模式命名。
4. 尽管随着时间推移炎症和细胞死亡之间的联系逐渐显现，但它们作为细胞死亡执行者的功能此前并未被认识。
5. 所有三项确定GSDMD为炎性小体相关焦亡执行者的研究都发现，GSDMD缺陷细胞在激活经典和非经典炎性小体后，焦亡诱导显著减少。
6. 他们还证明了caspase-1、-11或-4在中心连接域内的天冬氨酸残基（在人类中为D275，在小鼠中为D276）切割GSDMD，生成一个31千道尔顿的N端GSDMD片段（GSDMD-NT）和一个22千道尔顿的C端片段（GSDMD-CT）。
7. 此外，研究发现GSDMD-NT的表达诱导了具有所有焦亡特征的细胞毒性，而全长GSDMD（GSDMD-FL）或GSDMD-CT的表达对细胞活力没有影响，这支持了caspase介导的切割释放了由GSDMD-CT分子内自抑制的细胞毒性GSDMD-NT的结论。

Para_04

1. 这些发现揭示了由N端细胞毒性结构域和C端抑制结构域通过连接器连接的特征性双结构域结构并不是GSDMD独有的，而是所有gasdermin家族成员共有的，除了PJVK，它有一个截短的C端结构域。
2. 此外，GSDMA、GSDMB、GSDMC或GSDME的N端结构域的异位表达会触发一种类似于由GSDMD诱导的焦亡形式的细胞坏死。
3. 因此，在GSDMD被确认为炎症小体相关焦亡的执行者之后不久，gasdermin家族就被认为是一类新型的细胞死亡效应分子，其特点是具有N端焦亡诱导结构域（GSDM-NT）。

Para_05

1. 此外，由于其他gasdermin家族成员可以独立于炎症性半胱天冬酶被激活，这些发现表明焦亡不仅仅是炎性体激活的结果。这促使重新分类焦亡为一种由gasdermin家族成员介导的哺乳动物细胞死亡形式。

Pore formation constitutes the mechanism of gasdermin-induced pyroptosis

Para_01

1. 几项后续研究使用生物化学、细胞生物学和结构生物学的结合方法，探讨了GSDMD-NT诱导细胞死亡的机制（图2）。
2. 这些研究发现，一旦被切割，GSDMD-NT会与细胞膜结合，并且它优先靶向在质膜内叶上发现的酸性磷脂，如磷脂酰肌醇。
3. 其他gasdermin家族成员的N端结构域，例如GSDME、GSDMA和鼠类GSDMA3，表现出类似的脂质结合特性，表明整个gasdermin家族具有共同的膜靶向机制。
4. 心磷脂也被发现是GSDM-NT的强效结合剂，这表明gasdermins也可能靶向含有心磷脂的线粒体或细菌膜。
5. 一致的是，最近报道指出GSDMD以需要心磷脂的方式靶向并使线粒体通透化。
6. 脂质体结合实验进一步证实了GSDMD-NT与膜相互作用，并且注意到在结合过程中，GSDMD-NT使脂质体膜通透化。
7. 最后，对这些脂质体进行原子力显微镜或电子显微镜分析，揭示了GSDMD-NT在膜中形成了平均内径约为20纳米的孔状结构。
8. 总之，这些研究表明，除PJVK外，gasdermin家族成员构成了一种新型的形成孔道的细胞死亡执行者。

Fig. 2: Sequence of events during inflammasome-activated pyroptosis.

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- 图片说明

◉ Caspase-1 切割 GSDMD，将 GSDMD-NT 和 GSDMD-CT 结构域分离。这种切割解除了 GSDMD-NT 的自抑制，使其能够与质膜相互作用并插入其中，并逐渐形成孔隙，或形成插入膜中的前孔。◉ 一旦形成 GSDMD 孔隙，离子和水的流动会导致细胞肿胀。◉ 成熟的细胞因子，如 IL-1β 和 IL-18，可以通过这些孔隙直接释放。◉ 一种尚未确定的信号激活了 NINJ1，在肿胀阶段 NINJ1 以自抑制二聚体的形式存在于质膜中。◉ 这种激活导致 NINJ1 的第一个 α 螺旋发生构象变化，从而形成灵活的、丝状的 NINJ1 寡聚体。◉ 这些寡聚体可以弯曲形成孔隙状结构，或通过其亲水表面释放膜盘。◉ 由此产生的 NINJ1 孔隙或损伤促进了 DAMP 的释放，完成了焦亡的过程。

Para_02

1. 今天，气孔素自动抑制和孔形成机制在分子水平上已经得到了很好的表征，并且已发表了由GSDMA3、GSDMD和GSDMB形成的孔的高分辨率冷冻电镜结构。
2. 例如，全长mGSDMA3和m/hGSDMD的结构显示，GSDM-NT由一个扭曲的β片层组成，周围环绕着α螺旋和一个在孔形成过程中参与膜插入的无序区域。
3. 相比之下，GSDM-CT主要由紧密堆积的α螺旋组成。
4. 在全长蛋白中，GSDM-CT结合并掩盖了GSDM-NT中的膜结合元件，从而为气孔素自动抑制提供了分子基础。
5. 可以解除这种自动抑制并促进气孔素激活的主要机制是蛋白酶解切割，该过程将N端和C端部分分开，尽管其他机制也正在出现，如后面讨论的那样。
6. 研究表明，为了处理GSDMD，炎症性半胱天冬酶首先与GSDMD-CT内的外部位点相互作用，这有助于将GSDMD的域间切割位点定位到半胱天冬酶的催化位点附近。
7. 有趣的是，外部位点结合决定了底物特异性，但不决定四肽基序（人类GSDMD中的FLTD），尽管Asp275/276（人类/小鼠）对切割仍然重要。
8. 类似的机制适用于caspase-4对pro-IL-18的切割，表明炎症性半胱天冬酶底物切割的通用机制。
9. 是否可以通过靶向外部位点识别来抑制GSDMD的切割，以及哪些机制适用于其他蛋白酶对气孔素家族其他成员的切割，仍有待确定。

Para_03

1. 对重组气孔素N端形成的孔结构的研究表明，膜插入的GSDM孔具有一个冠状环和一个由大球形亚结构域及GSDM-NT结构域中的两个并排延伸的β-发夹组成的跨膜β-桶环。孔是由26–28（GSDMA3）、26–30（GSDMB）或31–34（GSDMD）个原聚体构成的。这导致孔的内径分别为18纳米、16纳米或21.5纳米。
2. 这些研究还揭示了非β-桶孔结构，可能暗示了前孔结构的存在。全长GSDM-NT与其孔构象的比较显示，蛋白质在形成孔的过程中经历了重大的构象变化，并呈现出手的形状，其中膜结合α-螺旋1作为拇指，两个β-发夹作为手指，其余蛋白质形成手掌。
3. 膜相互作用涉及每个原聚体中的两个β-发夹，它们形成β-桶，以及带正电荷的螺旋α1，它与质膜内叶上磷脂的负电荷头部基团相互作用。在自抑制未切割形式的蛋白质中，螺旋α1和α1-α2环被GSDM-CT掩盖，防止过早的膜相互作用。

Ninjurin-1 is a downstream effector of gasdermin pore formation

Para_01

1. 早期对焦亡的描述假设焦亡涉及初始小孔的形成，这驱动了离子流动，随后是细胞肿胀，最终导致质膜破裂（PMR）和被动细胞裂解。
2. 有趣的是，最近的一份报告表明，PMR是由一种称为ninjurin-1（NINJ1）的小型16-kDa质膜蛋白主动执行的。
3. 在没有NINJ1的情况下，细胞仍然会诱导GSDMD切割和孔形成，如通过摄取小的DNA结合染料（例如碘化丙啶（PI））所测量的那样，但无法释放乳酸脱氢酶（LDH），这通常被用作焦亡诱导的读数。
4. 此外，缺乏NINJ1的细胞在通过GSDMD孔激活炎症小体后仍会释放IL-1β和IL-18，这表明在没有细胞裂解的情况下，GSDMD孔可以作为蛋白质分泌的直接通道。
5. 然而，NINJ1缺乏并不会保护细胞免于死亡，但能有效地阻止与裂解相关的DAMPs（如HMGB1和S100蛋白）的释放，这表明在没有NINJ1的情况下，焦亡诱导可能较少促炎。

Para_02

1. 目前尚不清楚激活NINJ1的信号，尽管有可能，但尚不清楚所有gasdermins是否都能触发NINJ1的激活。
2. 由于在几乎所有形式的坏死死亡过程中都观察到了NINJ1的激活，从毒素诱导的坏死到铁死亡和铜死亡，并且甚至当凋亡细胞经历继发性坏死时也是如此，可以假设NINJ1感知到的是细胞发生坏死时产生的一个通用信号，可能与改变的质膜特性有关，如张力、流动性、脂质不对称性或脂质分布。

Para_03

1. 在感应到其激活信号后，NINJ1 开始形成高阶寡聚体，这些寡聚体最近通过超分辨率显微镜和冷冻电镜进行了表征，揭示了 NINJ1 如何使膜通透。
2. 一项报道活性 NINJ1 的冷冻电镜高分辨率结构的初步研究表明，该蛋白质形成了具有疏水面和亲水面的柔性丝状体，其中 NINJ1 单体紧密排列成类似栅栏的跨膜 α-螺旋阵列。
3. 每个单体的结构部分包含 4 个 α-螺旋，其中 α-3 和 α-4 完全延伸穿过膜，而 α-1 和 α-2 形成一个弯曲的螺旋，α-1 螺旋从一个单体跨越到下一个单体以稳定丝状体。
4. NINJ1 丝状体具有亲水面和疏水面这一事实表明它们可以封住并稳定膜边缘，形成大的跨膜损伤（图 2）。
5. 或者，膜通透化可能涉及通过它们的亲水面结合的双丝状体的形成，随后一旦细胞肿胀便逐渐像拉链一样打开。
6. 两项后续研究报道了一个非常相似的结构，具有弯曲的 α1–α2 螺旋，但 α-3 和 α-4 螺旋稍微弯曲。
7. 他们还发现 NINJ1 丝状体稍微弯曲，凹面是疏水的，凸面是亲水的。
8. 基于此，这些研究提出 NINJ1 通过"膜丢失"模型形成损伤，在该模型中，NINJ1 寡聚体通过包围膜斑块使其溶解（图 2）。
9. 需要进行额外的研究来可视化细胞中的 NINJ1 诱导损伤，以确定一种或两种模型是否适用于 NINJ1 驱动的 PMR。
10. 对 NINJ2（NINJ1 的同源物）的更好理解也可能有所帮助，因为发现 NINJ2 在体外也能形成类似的丝状体，但缺乏使细胞通透的能力。

Morphological features of pyroptosis

Para_01

1. 所有形式的细胞死亡都会在细胞水平上引起显著的生化、代谢和形态变化。早期研究指出，焦亡细胞表现出几个显著的形态特征，使它们与凋亡细胞的形态不同，后者以核固缩（细胞收缩或浓缩，核密度增加）、膜起泡和形成明显的凋亡小体为特征。
2. 此外，凋亡细胞维持质膜的完整性。相比之下，焦亡始于由于gasdermin孔形成导致的质膜完整性丧失，从而引起钙、钠和钾离子的非特异性通量，从而耗散电化学梯度（图2）。
3. Gasdermin孔形成后，细胞开始变圆和膨胀，通常会形成一个或多个大的膜气球（图2）。在这个过程中，焦亡细胞也经历核圆形化和浓缩，并且线粒体和其他细胞器衰竭，最终导致代谢性细胞死亡。
4. 焦亡细胞还在质膜上暴露磷脂酰丝氨酸（PS），这可能是由TMEM16F介导的膜扰乱引起的，而TMEM16F是由钙通量激活的。
5. 最后，这些事件导致NINJ1依赖性的质膜完整性丧失，使细胞失去其肿胀形态。在这个阶段，NINJ1通过形成NINJ1孔或释放膜盘来形成大损伤。
6. 质谱研究表明，细胞以NINJ1依赖的方式释放胞质和器官蛋白，这些蛋白可以作为潜在的危险信号。
7. 最近的一项工作还发现，NINJ1损伤是允许坏死细胞中的纤维状肌动蛋白参与树突状细胞中CLEC9A信号传导所必需的。
8. 实验上，最容易读取NINJ1诱导的细胞裂解的方法是测量细胞释放的乳酸脱氢酶（LDH）或大染料的摄取。
9. 值得注意的是，在没有NINJ1的情况下，焦亡将继续到细胞肿胀阶段，细胞将会死亡并会通过GSDM孔吸收PI或其他染料。因此，DNA结合染料不适合评估NINJ1损伤形成。
10. 据报道，在其死亡后，焦亡细胞还会释放细胞外囊泡（EVs），这些囊泡可以向远处细胞传递信号。
11. EVs可能由膜修复机制生成，例如ESCRT，这些机制从膜上去除GSDMD孔，或者由其他过程生成。

Para_02

1. 所有上述变化都是由气孔蛋白孔的形成引发的，并且可以在具有诱导性表达GSDM-NT的细胞中重现，因此与上游切割并激活气孔蛋白的caspases无关。然而，在炎症小体激活的情况下，例如，炎性caspases不仅切割GSDMD，还切割前IL-1β和-18。
2. 有趣的是，成熟形式——而不是前体——在没有细胞裂解的情况下从焦亡细胞中释放出来，这通过使用防止裂解的渗透保护剂或通过基因删除NINJ1来显示。
3. 这表明气孔蛋白孔的形成可能与在完全渗透之前有限的细胞质蛋白释放有关，然而，迄今为止，这种孔特异性分泌组尚未被描述或功能表征。
4. 两项最新研究报道，除了蛋白质外，氧化脂类和代谢物也可以从焦亡细胞中释放，并且这些物质可以促进组织修复。
5. 此外，在某些条件下，炎症小体激活可以在不引起焦亡细胞死亡的情况下诱导IL-1β释放，这种现象被称为超活化。
6. 这表明气孔蛋白孔的形成可能有助于独立于细胞死亡的非常规蛋白质分泌。

Para_03

1. 许多关于焦亡的研究主要使用小鼠或人类巨噬细胞，但这种细胞死亡形式在其他细胞类型中可能表现出不同的特征，例如中性粒细胞或肠道上皮细胞。
2. 尽管焦亡细胞的形态与凋亡细胞有明显区别，但仅凭形态学来区分焦亡与其他坏死过程（如坏死性凋亡或铁死亡）是具有挑战性的。
3. 膜完整性丧失、细胞圆化和肿胀以及最终的质膜破裂等特征在各种坏死性细胞死亡形式中都很常见。
4. 因此，明确鉴定焦亡需要结合形态学分析与生化表征及基因敲除。
5. 这涉及研究缺乏上游通路关键成分和gasdermin蛋白的细胞或动物，并检测活性蛋白酶和gasdermin裂解。
6. 虽然抑制剂在特定情况下可能是有用的，但目前尚无选择性的gasdermin抑制剂。

Gasdermin activation and the induction of pyroptotic cell death

Para_01

1. 全长野生型gasdermin的表达本身并不能驱动细胞焦亡，需要一个激活事件，如下所述：

Activation by proteolytic cleavage

通过蛋白水解切割激活

Para_01

1. 研究最透彻的gasdermins机制是基于蛋白酶解切割和形成孔的GSDM-NT与调节性的GSDM-CT分离（图3a）。
2. 在过去十年中，已报道多种蛋白酶能够切割gasdermin家族成员，从而启动孔形成和细胞死亡。
3. 在所有这些蛋白酶中，caspases作为gasdermin激活的关键调控者脱颖而出，例如炎性caspases（如caspase-1、-11和-4），它们在哺乳动物中切割GSDMD。
4. 然而有趣的是，在不包含GSDMD的动物（如鸟类、爬行动物和两栖动物）中，caspase-1仍能诱导焦亡，因为它在这种条件下会靶向GSDMA，这是由于其连接子中存在一个caspase-1切割位点。
5. 第二组靶向gasdermins的caspases是凋亡caspases，这显得有些矛盾，因为这些通常被认为是执行凋亡的分子，一种非坏死且免疫学上沉默的死亡形式。
6. 例如，已证明在小鼠巨噬细胞（但不是人类巨噬细胞）中，caspase-8在与炎性caspases相同的残基处切割GSDMD，从而将外源性凋亡重新导向为焦亡，这有助于宿主防御耶尔森氏菌。
7. 还显示caspase-8可以切割GSDMC，位于D365或D240处。
8. 最近，涉及ZBP1、caspase-8和GSDMC的信号轴被证明导致了焦亡，这在小鼠DSS诱导的结肠炎后导致粘膜修复受损。
9. 除了起始caspase-8之外，执行caspase-3/-7也被证明能够处理GSDME并因此诱导焦亡。
10. 在这里，GSDME的表达水平及其潜在的亚细胞靶向在决定细胞是否经历焦亡方面起着决定性作用。
11. 例如，在巨噬细胞中，GSDME被认为靶向线粒体，促进细胞色素c释放以增强凋亡。
12. 在癌细胞系中，GSDME的表达水平在决定细胞在接受化疗药物治疗时是通过凋亡还是焦亡死亡方面起作用，因此许多癌细胞系下调了GSDME的表达。
13. 凋亡期间GSDME的激活可能有助于晚期凋亡细胞膜完整性的丧失，这一过程被称为继发性坏死。
14. 然而，它可能不是唯一的决定因素，因为NINJ1也已被证明能使凋亡细胞的膜通透化。
15. 由NK细胞和细胞毒性T细胞产生的Granzymes是一类致死性蛋白酶，也能切割gasdermins。
16. 例如，GrzA可以处理GSDMB，而GrzB则处理GSDME。
17. 因此，这些细胞的攻击如果目标细胞表达相应的gasdermins，也可以将凋亡转化为炎症性细胞死亡。
18. 在中性粒细胞中，GSDMD也被发现被弹性蛋白酶和组织蛋白酶G切割，导致中性粒细胞死亡。
19. GSDMA的激活是一个奇特的例子：迄今为止，尚未发现任何哺乳动物酶能切割GSDMA。
20. 然而，来自S. pyogenes的蛋白酶SpeB已被发现能在感染期间切割并激活GSDMA，从而诱导焦亡和宿主防御。

Fig. 3: Activation of mammalian gasdermins.

图片

- 图片说明

◉ 到目前为止，已经提出了三种不同的机制来激活哺乳动物的gasdermins。a 蛋白酶解激活。在域间连接体内部或附近的蛋白酶解切割将调节性的C端与形成孔道的N端结构域分开，允许GSDM-NT形成跨膜孔道。列出了蛋白酶和各自的切割位点。◉ b 激活突变。小鼠GSDMA3中的突变和人类GSDME的外显子跳跃已被证明会导致自抑制丧失，使得未切割的蛋白质能够形成膜孔。◉ c 翻译后修饰（PTM）激活。已提出GSDMD的棕榈酰化和GSDME的PAR化可以解除自抑制，从而允许全长蛋白质形成孔道。小分子DMB也可以通过结合Cys191诱导不依赖于切割的GSDMD激活。◉ 基于结构（PDB：6VFE和EMDB：EMD-44034），使用ChimeraX1.8建模了Gasdermin孔结构。

Activation by gain-of-function mutations

通过功能获得性突变激活

Para_01

1. 最早的关于gasdermin引起的炎症或细胞死亡的报告涉及破坏分子内自抑制的突变，使全长蛋白能够形成孔道（图3b）。
2. 值得注意的是，小鼠GSDMA3中的几个突变干扰了自抑制界面I和II，导致蛋白质的自动激活并在小鼠中引起脱发。
3. 此外，几种GSDME（DFNA5）的功能获得变异与人类常染色体显性听力损失有关。
4. 这种突变的、自动激活形式的GSDME源于第8号外显子的跳跃，这导致了截短的GSDM-CT结构域和随后的自抑制丧失。
5. 据信，由于GSDME在耳蜗毛细胞中的高表达，使得它们特别容易受到由突变的GSDME等位基因引发的焦亡的影响。
6. DFNB59中的突变也与听力损失有关；然而，由于尚未证明DFNB59能形成孔道，其潜在机制仍然不清楚。

Activation by post-translational modification (PTMs)

通过翻译后修饰（PTMs）激活

Para_01

1. 一个新兴的主题是通过PTMs激活gasdermins（图3c）。到目前为止，只有三项研究报告了哺乳动物中不依赖于切割的激活，而真菌和低等动物中的gasdermins也有其他例子。
2. 例如，Du等人最近报道，即使不可切割的GSDMD D275A突变体在炎症小体激活后也会诱导低水平的焦亡和IL-1β释放。
3. 进一步的实验将其与GSDMD在C191位点的ROS依赖性棕榈酰化联系起来，这已知是一种促进GSDM膜结合的PTM。
4. 然而，在他们的研究中，作者将ROS生成和GSDMD棕榈酰化置于炎症小体激活和初始GSDMD孔形成之后，表明它主要起放大机制的作用。
5. 值得注意的是，许多研究使用D275A/D276A GSDMD作为对照，甚至生成了GSDMD-D276A敲入小鼠，但未发现任何不依赖于切割的激活，表明在大多数情况下切割是激活的主要驱动因素。
6. 据报道，GSDMD还通过6,7-二氯-2-甲基磺酰基-3-N-叔丁基氨基喹喔啉（DMB），一种GLP-1受体激动剂，独立于切割被激活，该化合物共价修饰C191，从而克服自抑制。
7. 另一项研究报告称，UVC照射引发的DNA损伤驱动了核PARP1的激活和聚（ADP-核糖）聚合物的形成。
8. 一旦这些聚合物释放到细胞质中，它们会导致GSDME的PARP5依赖性PARylation，从而诱导结构变化，允许诱导不依赖于切割的焦亡。
9. 总的来说，这些研究表明可能存在额外的激活机制，因此可能扩展了gasdermins作为焦亡诱导剂在条件或疾病中发挥决定性作用的数量。

Para_02

1. 对潜在激活机制的进一步了解来自于研究低等动物和其他生命领域的gasdermins的研究。在过去几年中，这些研究揭示了gasdermins可以在细菌、真菌、刺胞动物和珊瑚中找到，在这些地方它们通过膜孔形成诱导细胞死亡，如噬菌体防御或同种识别等免疫环境中。
2. 有趣的是，虽然加工是这类gasdermins的主要激活机制，其他不依赖于切割的机制也存在。

Role of pyroptosis in disease

Para_01

1. 自从发现gasdermins的孔形成功能以来，已经变得很明显，焦亡不仅仅是炎症小体/GSDMD驱动的一种细胞死亡形式，还可以在各种情况下发生在其他gasdermins的下游。
2. 从那时起，越来越多的研究探索了gasdermins的生理作用，最近在几篇文章中进行了综述。
3. 鉴于这一主题的大量文献，我将重点关注焦亡在（自）炎症和传染病中最确定的作用，同时建议读者参考讨论gasdermins和焦亡在癌症中的参与的优秀综述。

Role in infectious diseases

在传染病中的作用

Para_01

1. 细胞焦亡被广泛认为是一种抗微生物的细胞死亡形式，通过杀死其复制的生态位来限制细胞内病原体的生长。
2. 这种机制在病毒感染的情况下是显而易见的，但细胞焦亡是否能杀死细胞内的细菌或寄生虫则不太清楚。
3. 一些研究指出，气道蛋白可以杀死细胞内的细菌，并因此提出了几种不同的机制，说明细胞焦亡如何限制细菌的繁殖。
4. 细胞焦亡的抗菌作用在肠道中得到了最好的理解，在感染鼠伤寒沙门氏菌的过程中，由NLRC4炎症小体或caspase-4激活驱动的细胞死亡促进了垂死细胞从肠上皮中的排出，从而限制了肠上皮细胞（IECs）内的细菌数量。
5. 细胞焦亡是否在垂死的巨噬细胞中限制细菌尚不清楚，但一项研究发现，焦亡的细胞尸体可以困住细菌，然后这些细菌会被吞噬死细胞的中性粒细胞清除。

Para_02

1. 焦亡的抗微生物功能主要基于研究GSDMD在传染病中的作用，因为许多被研究的病原体已知会激活炎症小体。这些研究报道，缺乏炎症小体受体、炎性半胱天冬酶或Gsdmd的动物对鼠伤寒沙门氏菌、类鼻疽伯克氏菌、新弗朗西斯菌和柠檬酸杆菌及利什曼原虫感染高度易感。
2. 在病毒感染期间，焦亡既可以限制病原体也可以导致病理变化。例如，NLRP9b和GSDMD已被证明可以在肠道中限制轮状病毒感染，而NLRP3和GSDMD驱动的焦亡在诺如病毒感染期间导致免疫病理学。
3. 此外，H7N9病毒感染通过GSDME介导的肺泡上皮细胞焦亡引发致命的细胞因子风暴，而GSDME依赖的焦亡在肠道病毒71感染期间引起严重疾病。
4. 焦亡在白色念珠菌感染期间也可能有利于病原体，因为它促进病原体从感染的巨噬细胞中逃逸。
5. GSDMD不仅由炎症小体激活，还被报告在耶尔森菌感染的细胞中被caspase-8切割。一致地，Gsdmd缺陷动物在耶尔森菌感染期间具有更高的CFU。
6. 然而，一些报告发现，与缺乏炎症小体受体或炎性半胱天冬酶的动物相比，Gsdmd缺陷动物没有表型或仅显示出适度增加的病原体负荷。例如，这已在军团菌和新弗朗西斯菌中报道，其中Gsdmd缺陷仅提供轻微的CFU计数增加。
7. 这种差异的一个可能解释是，在缺乏GSDMD的情况下，活性caspase-1诱导一种快速溶解的备份途径，该途径依赖于活性凋亡半胱天冬酶，并能在某种程度上补偿Gsdmd缺陷。
8. 还需要注意的是，Gsdmd缺陷不仅消除了焦亡，还消除了IL-1β和IL-18的释放，因此无法得出哪种炎症小体效应机制驱动宿主防御的明确结论。
9. 关于其他gasdermins在宿主防御中的作用了解相对较少。GSDMA已被证明在S. pyogenes感染的角质形成细胞中诱导焦亡，而Gsdma1或Gsdma1–3缺陷的小鼠被发现有更大的病变和未控制的细菌扩散到系统部位。

Para_03

1. GSDME 的激活也可以介导抗微生物免疫。VSV-1 或 HSV-1 感染会激活内在凋亡，这在角质形成细胞中导致 GSDME 依赖性焦亡，释放 IL-1α 并限制感染。
2. 同样，由耶尔森菌感染诱导的外在凋亡会导致中性粒细胞中的 GSDME 激活并启动宿主防御。
3. 虽然在脓毒性休克模型中气孔蛋白的激活也是有害的，但例如发现 Gsdmd 缺乏症在 LPS 诱导的致死模型和盲肠结扎穿刺 (CLP) 引起的多微生物败血症中具有保护作用。
4. 还显示，在小鼠注射 LPS 后，气孔蛋白依赖的磷脂酰丝氨酸暴露会引发血液凝固和组织血栓形成。
5. 在 LPS 攻击或肺炎克雷伯菌感染期间，内皮细胞中的 GSDMD 依赖性焦亡会导致血脑屏障的破坏。
6. 这些数据表明，在败血症中抑制炎症小体或 GSDMD 可能对患者有益。

Autoinflammatory genetic diseases

自身炎症性遗传病

Para_01

1. 异常激活的炎症小体导致或促成了多种遗传性自身炎症性疾病。例如，NLRP3 的功能获得性突变引起了一系列疾病，如家族性寒冷性荨麻疹（FCAS）、Muckle-Wells 综合征（MWS）和新生儿多系统炎症性疾病（NOMID，也称为慢性婴儿神经皮肤关节综合征，CINCA），这些通常被称为冷吡啉相关周期性综合征（CAPS）或 NLRP3 相关的自身炎症性疾病（NLRP3-AID）。
2. 在 NOMID 小鼠模型中实验性地探讨了 GSDMD 的作用，并证明其可以预防症状的发展，表明 GSDMD 孔是疾病的主要驱动因素。
3. 然而，由于大多数 NLRP3-AID 患者对 IL-1β 靶向治疗高度敏感，这表明并非细胞焦亡本身，而是相关的细胞因子释放推动了疾病的发展。
4. 另一种由炎症小体受体突变引起的疾病是家族性地中海热（FMF），这是全球最常见的单基因自身炎症性疾病，由 MEFV 基因（编码蛋白 Pyrin）突变引起。
5. GSDMD 缺乏症也被证明可以在 FMF 动物模型（表达 MefvV726A）背景下消除自身炎症。

Therapeutic targeting of pyroptosis

Para_01

1. 鉴于gasdermins和细胞焦亡在人类疾病中的作用，开发抑制细胞焦亡的药物可能为抗炎治疗开辟新的途径。
2. 目前，抗IL-1疗法已成功用于减少受炎症小体病影响患者的炎症。
3. 然而，这些疗法对NOMID患者的影响有限，这表明在这种情况下，IL-1可能不是疾病的主要驱动因素。
4. 这突显了靶向上游过程的潜在益处。
5. 在这方面，直接靶向NLRP3（如MCC950）的抑制剂的持续开发可能会证明是有价值的。

Para_02

1. 抑制GSDMD或其他gasdermins代表了一种替代方法，可以减少炎症小体相关的细胞死亡和细胞因子释放。多年来已经报道了几种潜在的抑制剂，包括富马酸二甲酯（DMF）、坏死磺酰胺和双硫仑（图4）。
2. 这些药物的作用机制可能与裂解的GSDMD-NT在Cys191/192处的棕榈酰化在膜结合中的关键作用有关。
3. 例如，DMF诱导Cys192等多个残基的琥珀化，而坏死磺酰胺和双硫仑也靶向Cys192，减少其棕榈酰化。
4. 有趣的是，DMF还阻断了GSDME，因为它使Cys45发生琥珀化，提示存在类似的机制。

Fig. 4: Inhibition of pyroptosis at the level of GSDMD or NINJ1.

图片

- 图片说明

◉ 用二甲基富马酸盐（DMF）、坏死磺酰胺（NSA）和双硫磷处理已被证明可以通过靶向人类和小鼠GSDMD中的C191/C192来阻断GSDMD孔的形成。◉ 抗GSDMD抗体也可以阻断GSDMD孔的形成，但需要通过已经存在的GSDMD孔进入细胞。◉ 用抗体拮抗NINJ1寡聚化可以防止GSDMD孔形成后的溶解步骤。

Para_03

1. 虽然这些药物可能不仅针对GSDMD，但LPS诱导的致死性、地中海热和实验性自身免疫性脑炎的动物模型表明，它们可以在体内阻断炎症小体或焦亡引起的炎症。
2. 另一种替代方法可能是使用靶向GSDMD的抗体（图4）。
3. 最近的研究表明，在细胞培养中施用拮抗性GSDMD纳米抗体可以预防焦亡和细胞因子释放，并且这涉及这些纳米抗体通过GSDMD孔进入，然后阻止进一步的GSDMD孔形成。
4. 然而，这种方法在体内是否有效仍有待测试。

Para_04

1. 另一种防止与焦亡相关的炎症的方法可能涉及抑制由NINJ1驱动的细胞裂解和DAMP释放（图4）。
2. 两项最近的研究报道了在小鼠肝损伤模型中NINJ1的作用，这些模型中的肝损伤是由LPS加D-半乳糖胺、刀豆蛋白A、Jo2抗Fas激动剂抗体或缺血再灌注损伤引起的。
3. 其中一项研究还表明，抗NINJ1中和抗体，可以阻止NINJ1寡聚化，显著减少了循环中的DAMPs，包括IL-18、HMGB1、线粒体DNA和肝脏炎症标志物。
4. 然而，需要进一步表征体内NINJ1以全面评估其生理意义。
5. 有趣的是，在LPS诱导的脓毒性休克模型中未发现NINJ1的作用，该模型已被证明是GSDMD依赖性的。
6. 因此，需要额外的实验来验证NINJ1作为治疗干预潜在靶点的有效性。

Perspectives

Para_01

1. 自从发现细胞焦亡以来，在理解诱导这种细胞死亡的分子机制及其在健康和疾病中的作用方面取得了显著进展。
2. 作为细胞焦亡执行者的gasdermins的突破性鉴定改变了这一领域，提供了关于细胞如何经历细胞焦亡的见解，并使遗传学研究能够探索gasdermins和细胞焦亡在各种疾病中的重要性。
3. 这些研究表明，细胞焦亡是一种生理上重要的过程，对宿主防御广泛的病原体至关重要。
4. 然而，当细胞焦亡失控发生时，如在炎性小体病中所见，它可能对宿主造成极大的损害，这强调了需要制定调节细胞焦亡诱导的策略。

Para_02

1. 为此，需要进一步研究来探讨细胞如何控制gasdermin的激活，特别是通过PTMs和其他机制来调控gasdermin与膜的相互作用及孔形成。
2. 理解这些过程可能会揭示阻止焦亡的新策略。
3. 此外，研究应集中于开发抑制剂或拮抗性抗体。
4. 这些已显示出希望，例如抗GSDMD纳米抗体可以减少细胞中的焦亡，而抗NINJ1抗体可以在肝损伤模型中缓解炎症。
5. 在确认gasdermins参与的疾病模型中，进一步验证这些方法至关重要。
6. 鉴于gasdermins在炎症和细胞死亡中的多方面作用，寻找新的调节其活性的方法无疑将在未来几年内继续成为动态的研究领域。