微精选

01 研究背景

真核细胞能够启动不同的自我毁灭程序。细胞死亡的过程（非炎性或者促炎性）会引起临近细胞做出相应的反应。临近细胞对细胞死亡的反应进一步决定了重要的生理结果。

焦亡是微生物感染和非感染性刺激引发的新型细胞死亡途径。其本质上是caspase1依赖的促炎反应，导致炎症因子的释放和免疫细胞的募集。那么焦亡的特点以及依赖途径有哪些呢？

02 主要研究结果

焦亡与其他细胞死亡方式不同，焦亡是一种caspase1依赖的或者介导的细胞死亡。焦亡发生时，质膜迅速破裂和胞内炎性内容物的释放。这与凋亡细胞的特征形成鲜明对比，细胞凋亡时，细胞会形成膜包被的凋亡小体，这些凋亡小体会被周围的细胞以费炎性的方式吞噬摄取，不会引起强烈的炎症反应。沙门氏菌感染和炭疽杆菌致死毒素处理，会形成直径为1.1 – 2.4nm的功能性细胞质膜孔，而质膜孔的形成是一个依赖于caspase 1活性的宿主细胞介导的过程。依赖caspase 1细胞膜孔隙，破坏细胞离子浓度梯度，增加胞内渗透压和细胞肿胀，最终导致细胞发生渗透性破裂，释放炎症性的胞内物质。

与凋亡相似，DNA损伤也同样出现在焦亡中。不同的是，在凋亡中ICAD水解释放caspase激活的DNA酶（CAD），从而切割核小体中的DNA，形成寡核小体DNA片段；而在焦亡中，DNA断裂并非由CAD引起，而是由一种未知的caspase 1激活的核酸酶导致，且不会产生特征性寡核小体片段。综上所述，在焦亡中DNA裂解和细胞裂解都具有caspase 1依赖性，但细胞裂解不一定伴随DNA裂解。

此外，尽管在焦亡中出现肌动蛋白骨架的破坏和细胞凋亡抑制蛋白（cIAP）的caspase 1依赖性降解，但caspase 1作用的下游靶向是什么并不清楚。因此对caspase1的深入研究有利于进一步阐明焦亡的机制。

Fig 1：焦亡：caspase1依赖性死亡

Toll样受体（TLR）和Nod样受体（NLR）能够响应病原体或组织损伤的胞内外危险信号。TLR能够活化细胞并产生肿瘤坏死因子（TNF）、IL-6、IL-8和IFN等炎性细胞因子，以响应细胞外信号；而NLR在能够识别胞内危险信号，含NLR核苷酸结合寡聚化结构域的蛋白质NOD 1和NOD 2刺激产生炎性细胞因子。NLR能够激活caspase1，导致caspase1依赖性焦亡和IL-18和IL-1β的加工释放。在ATP治疗和耶尔森氏菌感染中，TLR和caspase1激活的NLR协同作用，进一步增强NLR介导激活caspase1的敏感性。TLR、NOD 1和NOD 2激活caspase1产生大量IL-1β，从而识别的宿主或病原体来源的危险信号。

NLR能够识别细菌、病毒和宿主分子以及有毒外来产物激活caspase 1。NLRP3能够响应多种刺激，导致细胞钾离子外流。然而单独的钾流出不足以激活caspase1，并且阻止钾流出也阻断了NLRP1b介导的caspase1激活。综上所述，钾离子流出并不直接参与NLRP3依赖的caspase1激活，而是形成利于caspase1激活的环境，但NLRP3如何识别和参与该反应仍需进一步研究。

NLRC4能够识别假单胞菌、沙门氏菌、军团菌和志贺氏菌等多种细菌病原体激活caspase 1。在李斯特菌感染期间，NLRC4直接识别进入胞质的鞭毛蛋白导致NLRC4依赖性焦亡；在不产生鞭毛蛋白的假单胞菌和志贺氏菌突变体感染期间，同样出现NLRC4依赖的caspase1激活。

NLRP1b能够识别炭疽芽孢杆菌致死毒素的胞质递送，切割有丝分裂原活化蛋白激酶（MAPK）。由于致死毒素的催化位点的点突变，NLRP1b无法直接激活caspase1，但致死毒素的蛋白水解活性参与NLRP1b激活caspase1的途径。然而仅裂解MAPK无法激活caspase1，因此可能仍然存在未知致死毒素的参与。同时，致死毒素介导的蛋白酶体功能改变是caspase1激活的重要一环。

除上述蛋白外，其他NLR也与caspase1的激活有关。NLR神经元凋亡抑制蛋白5 （NAIP5）在军团菌感染期间激活caspase 1，然而NAIP5在焦亡中的确切作用尚不清楚。此外，含有CARD的细胞死亡相关斑点样蛋白（ASC）也能够识别弗朗西斯菌，激活caspase1。

Fig 2：TLR和NLR参与宿主对胞内外“危险信号”的识别

NLR能够识别胞内外危险信号，形成含有caspase1的炎症小体。NLR能够与通过含有caspase激活和募集结构域(CARD)的适配蛋白ASC结合或直接作用于caspase1，从而激活caspase1。

有人认为单个NLR就能够激活caspase1，但现有的数据表明多个NLR之间的相互作用可能有利于炎症小体的形成。在军团菌感染中，含有病原体敏感的富含亮氨酸重复序列 （LRR）区间的NAIP5可以影响NLRC4依赖性caspase 1激活和结合NLRC4，但NAIP5在炎症小体形成中的确切作用尚不清楚。NAIP5在沙门氏菌中并不参与NLRC4依赖性caspase 1激活，表明NAIP5只参与部分NLRC4的炎症小体。在李斯特菌感染、成孔毒素和紫外线照射时，NLRP3和NLRC4也相互作用激活caspase 1。综上所述，多个NLR可以存在于同一个复合体中，并协同激活caspase 1。除此以外，还存在其他激活caspase1途径，在体外实验中尿酸和ATP等细胞损伤的危险信号能够激活caspase1。同时大量caspase1激活配体能够激活不同传感器，从而有效触发焦亡下游反应。

在沙门氏菌感染和炭疽芽孢杆菌致死毒素治疗中产生的炎症小体中发现了caspase1。ASC能够自结合并形成复合物，但在含NLR炎症小体形成过程中的作用并不明确。ASC能够促进caspase1激活，在缺乏ASC的巨噬细胞中沙门氏菌介导的caspase 1的激活降低。复合体存在大量激活的caspase1，复合体通过底物募集机制募集底物，当底物进入其蛋白水解区域后，复合体酶功能改变从而调节对底物的切割，这一机制与凋亡小体参与caspase9的激活相似。对炎症小体组成的研究能够进一步探究复合体对激活caspase1的作用。

炎症小体可以与蛋白质相互作用，激活可选择的细胞过程或细胞死亡形式。在军团菌和弗朗西斯菌感染巨噬细胞时观察到自噬现象，同时体外条件下能激活caspase1。虽然激活caspase1不一定导致焦亡，但可能导致炎症小体参与其他细胞死亡机制最终导致细胞死亡。在ASC和caspase1缺陷巨噬细胞中无法激活caspase1，但依然存在细胞死亡。在志贺菌和沙门菌感染后，巨噬细胞中caspase1激活，但caspase1缺陷巨噬细胞只出现自噬。综上所述，caspase1依赖性焦亡缺陷时，坏死和自噬等细胞死亡方式仍然主导细胞死亡。同时NLR能够同时刺激焦亡和自噬，在志贺菌感染中NLRC4参与自噬。

Fig 3：炎症小体的成分和可视化

Caspase1依赖性不仅仅表现在焦亡中，激活caspase1能够介导IL-1β和IL-18等炎性细胞因子的分泌、抑制胞内细菌的生长、参与细胞修复等。

IL-1β和IL-18能够参与焦亡中的炎症反应，但具体释放机制尚未明确。巨噬细胞通过caspase 1依赖性质膜孔释放细胞因子，而不通过细胞裂解后释放。因此，释放细胞因子和细胞裂解都是caspase 1依赖性质膜孔形成的下游结果。

在单核细胞中，激活的caspase 1和细胞因子被包装到溶酶体中，与细胞表面融合后分泌。在树突状细胞、小胶质细胞和巨噬细胞等细胞中，激活caspase 1过程中细胞因子通过囊泡释放，通常为囊泡与细胞表面融合和微泡从质膜直接出芽。现有研究中，ATP刺激后囊泡直接释放表现为细胞大小显著减少，而在沙门氏菌和伯克霍尔德菌感染的巨噬细胞中，细胞因子释放后细胞增大。但还有其他IL-1β和IL-18的分泌机制尚待探究。

除IL-1β和IL-18，活化的caspase1参与IL-1α、TNF和IL-6等炎性细胞因子的产生，同时能够微调细胞因子对微生物刺激的反应。在TNF和IL-6的分泌过程中，caspase 1高效处理TIRAP信号，介导TLR2和TLR4配体响应，从而活化巨噬细胞并且产生TNF和IL-6。

激活caspase1能够抑制细胞内病原体。在军团菌感染时，巨噬细胞激活caspase1使溶酶体迅速降解细菌。在分枝杆菌感染中，活化的caspase1将细菌运输到溶酶体杀死菌体。但caspase1的抑菌作用并不存在于所有病原体中，同时caspase1如何诱导巨噬细胞达到抑菌作用的机制还需要进一步完善。

在一定条件下，caspase1参与促进细胞修复。与凋亡caspase相似，不同水平的caspase1对细胞的作用大不相同。低水平caspase1能够抑制细菌生长同时诱导炎症细胞因子的产生，从而利于细胞存活；而高水平的caspase1能够诱发焦亡并释放炎性细胞内容物。

Caspase1在细胞中的位置对细胞的作用不同。在单核细胞中，参与焦亡的底物与其他caspase1依赖性反应底物存在于溶酶体不同室之间。同时caspase1在胞质的位置能够调节其功能，激活的caspase1锚定在胞质内单位点上，从而参与不同细胞反应。值得注意的是，不同细胞中焦亡的诱因不同，触发巨噬细胞和树突状细胞焦亡的因素不一定会刺激上皮细胞焦亡。

Fig 4：caspase1参与焦亡和炎症反应

Caspase1激活导致的焦亡存在两面性，适当的Caspase1激活和焦亡具有保护性，而过度或不适当的caspase 1激活和焦亡对机体有害。遗传性自身炎症综合征与NLR蛋白突变导致caspase1不恰当激活有关，在心肌梗死、脑缺血、炎症性肠病、神经退行性疾病和内源性休克中caspase1参与疾病中炎症反应和细胞死亡。综上所述，抑制caspase1表达通过抑制炎症反应、阻止细胞焦亡和缓解器官功能障碍可能是治疗这些疾病的可靠靶点。抑制caspase1治疗在败血症和肾衰竭中不仅仅阻断IL-1β和IL-18产生，还有其他机制尚待探究。

激活csapase1通过在病原体体内感染过程中参与先天免疫识中的识别，清除沙门氏菌、志贺菌、军团菌、弗朗西斯菌、无形体吞噬细胞嗜血菌和李斯特菌等病原体。这一清除过程不仅与IL-18和IL-1β的产生有关，caspase1缺乏小鼠比IL-1β和IL-18缺乏小鼠更容易感染弗朗西斯菌，表明细胞死亡及其他caspase 1依赖性过程有助于控制病原体感染。

激活caspase1同样参与适应性免疫，IL-18能够与IL-12一起在Th1型CD4+T细胞分化和IFNγ产生中发挥重要作用。在caspase1缺陷小鼠中，白色念珠菌、李斯特菌或嗜吞噬细胞芽胞杆菌感染后Th 1反应受损，CD4+T细胞向Th2表型分化，导致对Th1免疫清除的病原体失去二次抵抗能力。Caspase 1的非微生物激活剂可以作为佐剂，增强机体免疫反应，表明激活caspase1增强适应性免疫反应。尿酸从坏死细胞释放后增强CD8+ T细胞的交叉呈递和生成。含铝佐剂激活caspase1，导致Th2 CD4+ T细胞产生和强大的体液免疫反应。但含铝佐剂无法激活caspase1的小鼠无法募集免疫细胞，产生Th2 CD4+ T细胞应答。然而caspase1对调节抗体产生的作用仍然存在争议。在感染早期，caspase1介导的IL-1β和IL-18的产生等过程，导致免疫细胞的激活和募集以及控制感染。在持续感染期间，持续的caspase 1依赖性炎症促进了适当的适应性免疫反应，最终使感染问题得到解决。

激活caspase1能够控制病原体感染，而病原体也进化出限制caspase1激活的机制。通常在病原体感染中，先天性免疫识别局限于识别肽聚糖、脂多糖和核酸等。在沙门菌和军团菌感染中，NLRC4能够识别鞭毛蛋白。沙门菌和军团菌能够通过易位系统将鞭毛蛋白引入细胞质并刺激焦亡，但在胞内生长过程中能够下调鞭毛蛋白表达，从而降低炎症反应、避免焦亡，使病原体在细胞内增殖。

多种病原体通过诱导其他细胞死亡，免于焦亡和清除病原体。巨噬细胞凋亡释放抗炎因子，同时维持膜完整性，从而阻止胞内炎性内容物的释放。耶尔森菌能够导致巨噬细胞和树突状细胞凋亡。产生关键细胞毒素ExoU的假单胞菌可诱导caspase 1非依赖性坏死，阻断IL-1β和IL-18的释放。临床上80%的假单胞菌不产生ExoU，反而会引发热休克，而表达ExoU的假单胞菌毒性更强。

Fig 5：宿主和病原体调节caspase1活性调控焦亡

03 结束语

焦亡、产生炎性细胞因子和控制病原体增殖等依赖caspase1的过程有助于宿主控制病原体感染。病原体能够通过毒力因子来限制caspase1激活，但宿主进化出应对病原体激活caspase1的机制。最终，宿主和病原体之间竞争调节caspas1的激活。

宿主TLR、NLR识别和病原体毒力因子一直是焦亡研究中的焦点，但现有研究仅仅关注焦亡的分子机制和caspase1激活的下游，对被caspase1切割的蛋白质的分析可能会更好地阐释焦亡的机制。对焦亡和其他caspase1依赖性过程对宿主炎症反应和疾病进程的研究存在重要意义。