细胞焦亡是一种依赖于半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(Caspase)的细胞程序性死亡方式。多种细胞内、外病原体通过活化Caspase-1和Caspase-4/5/11，以及激活白细胞介素(IL)-1β和IL -18的前体，促进机体炎性小体形成，引起细胞裂解及更多炎症因子的释放，最终导致细胞炎症性死亡。细胞焦亡过程中炎性小体的产生，Toll样受体(Toll like receptor ，TLR)信号通路及骨髓微环境的改变，形成炎症环境，从而诱发骨髓增生异常综合征(MDS)。笔者拟就细胞焦亡的相关机制及其在MDS发生中的作用进行综述。
版权归中华医学会所有。
未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
除非特别声明，本刊刊出的所有文章不代表中华医学会和本刊编委会的观点。
细胞焦亡又称细胞炎性坏死(pyroptosis)，是新近发现的一种促炎程序性细胞死亡方式，是机体固有免疫系统针对病原体的主要应答方式之一，以避免病原体对宿主的过度损害。细胞焦亡表现为细胞渗透性肿胀，胞膜溶解，炎症因子及胞内物质流出，并激活局部炎症反应[1]。不同于细胞凋亡，介导细胞焦亡的半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(cysteine-aspartic protease，Caspase)亚家族主要为Caspase-1，而并非Caspase-3，并且细胞焦亡不出现细胞核染色质固缩和核碎裂[2]。
骨髓增生异常综合征(myelodyplastic syndrome，MDS)是起源于造血干/祖细胞(hematopoietic stem and progenitor cell, HSPC)的一组高度异质性克隆性疾病，以一系或多系血细胞病态造血及无效造血为特征，并表现出明显的分子和基因异质性，具有向急性白血病转化的倾向。MDS发病机制与骨髓微环境、体细胞突变、表观遗传学改变，以及基因单倍体剂量不足有关。细胞焦亡过程中炎性小体的产生、骨髓微环境的改变等，形成炎症环境，从而可能导致MDS的发生[3]。笔者为进一步明确细胞焦亡在MDS中的作用机制进行综述如下。
炎性小体是存在于细胞质内的多蛋白复合体，主要包括模式识别受体(pattern recognition receptors，PRR),凋亡相关斑点样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing CARD, ASC)和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1前体(pro- cysteine-aspartic protease-1，pro-Caspase-1)。参与炎性小体的PRR主要是NOD样受体(NOD-like receptors，NLR)家族和黑素瘤缺乏因子(absent in melanoma，AIM)2样蛋白(absent in melanoma2-like receptors，ALR)家族，NLR家族主要由N-末端的热蛋白结构域(pyrin domain，PYD)或半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶结构域(Caspase recruitment domain，CARD)，C-末端亮氨酸富集区(leucine-rich repeats，LRR)或造血干扰素诱导核蛋白HIN-200结构域构成，NLR家族中央还有保守的NOD结构域，目前被报道最多的是核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein，NLRP)3，NLRC(NLR family CARD domain-containing protein)4，NLRP1(NLR family CARD domain-containing protein)1和AIM2炎性小体。炎性小体可以识别多种微生物、应激及损伤信号：NLR可通过Caspase激活和募集结构(Caspase activation andrecruitment domain，CARD)-CARD同源蛋白，NLRP3和ALR可通过PYD-PYD同源蛋白的相互作用募集pro-Caspase-1，ASC可通过其N-末端的PYD和C-末端的CARD结构域同源蛋白募集NLR和pro-Caspase-1，形成炎性小体。ASC是可溶性蛋白质，受刺激后，形成ASC二聚体成为ASC斑点。而ASC是Caspase-1活化的平台，炎性小体激活Caspase-1后，可进一步促进白细胞介素(interleukin，IL)-1和IL-18等促炎细胞因子的成熟释放，诱导细胞焦亡发生[4]。
细胞焦亡的分子机制既往尚未明确。目前研究发现，GSDMD蛋白(Gasdermin D)是触发细胞焦亡的主要介质，其是唯一已知的、并且经试验证实的、所有炎性Caspase的底物，GSDMD缺陷小鼠可在致死剂量的脂多糖环境中存活[5,6,7,8]。活化的Caspase-1从GSDMD的天冬氨酸276位(鼠)/275位(人)将其分割，形成亲水性的C-末端片段(GSDMD-CT)和亲脂性的N-末端片段(GSDMD-NT)。GSDMD-NT以更高阶的聚合物形式存在于脂质双分子层中，在数分钟内形成负染色电子显微镜可见的环状结构，使得细胞膜的完整性受到破坏，导致细胞死亡[6,9]。反之，亲水性的GSDMD-CT可结合多余的GSDMD-NT，阻断细胞死亡[2]。此外，GSDMD缺陷的骨髓巨噬细胞iBMDM(immortalized murine bone-marrow-derived macrophages)细胞系中仍然可发生细胞焦亡，这表明除GSDMD外仍有其他Caspase-1靶点存在。
在经典细胞焦亡途径中，PRR(NLRP1、NLRP3、NLRC4、AIM2与Pyrin等)与pro-Caspase-1通过接头蛋白ASC连接形成高分子复合物炎性小体，每个PRR感受一种类型的危险信号，并形成相应的炎性小体。NLRP1可被炭疽杆菌分泌的胞质致命毒素(cytosolic lethal toxin，LT)活化；NLRP3的刺激物广泛，可被ATP、微生物毒素，以及晶体(明矾、SiO2、尿酸盐、胆固醇)激活；NLRC4主要感受细菌的鞭毛蛋白和Ⅲ型分泌系统等成分；AIM2主要被人类免疫缺陷病毒的逆转录基因和微生物的DNA激活[5]。在病原体的刺激下，炎性小体加工pro-Caspase-1，使之裂解成有活性的Caspase-1，而Caspase-1可通过裂解GSDMD蛋白诱导细胞膜穿孔，使细胞焦亡发生，导致细胞溶解、死亡。同时，GSDMD剪切IL-1和IL-18的前体，活化的IL-1和IL-18可诱导IL-1和肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)-α等放大炎症反应，并趋化白细胞，促进干扰素的释放。
非经典细胞焦亡途径的激活由脂多糖诱导，脂多糖的脂质A组成成分可通过其CARD与Caspase-4/5/11结合引起炎性Caspase寡聚、活化及细胞焦亡[6]。脂多糖是唯一已知的、Caspase-11识别的、病原相关的分子模式(pathogen associated molecular patterns，PAMP)。脂多糖与Caspase-11结合后，通过间隙连接蛋白pannexin-1诱导ATP依赖的阳离子通道P2X7开放，K＋外流，Na＋、Ca2＋内流，破坏细胞膜的完整性，细胞内物质流出，引起炎症反应，形成非经典炎性小体的活化。非经典炎性小体的活化可继发性活化经典炎性小体、Caspase-1，以及炎性因子的加工和分泌，引起Caspase-1参与非经典细胞焦亡途径。但此过程需要Caspase-1、NLRP3和ASC的参与，当NLRP3、ASC或Caspase-1缺乏时，依赖Caspase-11的细胞焦亡途径并未受到影响，这说明GSDMD的剪切发生在NLRP3活化的上游[7]。
细胞焦亡在机体免疫中发挥重要的作用。目前相关研究显示，细胞焦亡在感染性疾病、神经系统疾病、动脉粥样硬化、代谢性疾病及免疫系统缺陷性疾病的发病过程中扮演着重要角色[10,11,12,13]。近年来，细胞焦亡在MDS的发生、发展中的作用也逐渐引起相关研究者的重视。细胞焦亡作为促炎程序性细胞死亡方式，其过程主要依赖于炎性小体及Caspase的活化，并激活IL-1和IL-18，引发炎症反应。炎症反应是MDS的发生原因之一，并且许多自身免疫性疾病与MDS共存，其中，瑞典和美国的流行病学研究结果显示慢性呼吸道感染的患者易发生MDS[12]。因此，细胞焦亡过程中由于炎症因子累积形成的炎性骨髓微环境，以及免疫功能的紊乱可能是MDS形成的原因之一。
骨髓微环境是HSPC生长的"土壤"，随着HSPC生物学特性研究的深入，20世纪70年代，造血干细胞巢(stem cell niche)的概念被提出。造血干细胞巢是干细胞静息和自我更新的场所，其细胞成分包括间质来源细胞、内皮细胞和交感神经系统来源细胞，以及相关细胞因子，也包括巨噬细胞、树突状细胞等免疫细胞。间充质干细胞可生成基质细胞，促进MDS细胞的扩散，而基质细胞高表达Fas-L，可导致造血干细胞的凋亡。间充质干细胞还可以抑制树突状细胞的分化及成熟，其产生的前列腺素E(prostaglandin E，PGE)2可抑制巨噬细胞释放炎症因子，此外，间充质干细胞可促进MDS中HSPC的增殖。在MDS的微环境中，单核细胞集落刺激因子、TNF-α、TGF-β、IL-6、IL-8、血管内皮细胞生长因子等细胞因子的异常较为常见，并且上述细胞因子异常与根据国际预后评分系统(International Prognostic Scoring System，IPSS)划分的中、低危组MDS的发生相关，而IL-10与高危组MDS的发生相关。MDS骨髓微环境中还可见到调节性T细胞(regulatory T cell，Treg)，髓源性抑制细胞(myeloid-derived suppressor cell，MDSC)的增殖，自然杀伤(natural killer，NK)细胞功能的异常及CD8＋T细胞数的增加。PRR的亚家族干扰素基因刺激蛋白(stimulator of interferon genes，STING)可通过减少未成熟骨髓细胞和Treg数量以达到增强抗肿瘤免疫作用的目的。但慢性STING刺激可能会产生异常炎症反应，最终引起MDS等炎性相关的恶性疾病[14]。总而言之，细胞因子的异常导致了正常造血的抑制，增加了基因组的不稳定性，改变了细胞外基质的结构，并影响了骨髓微环境中血管的形成，导致MDS发生[15]。
细胞焦亡会诱导阳离子通道活化，引起细胞肿胀，细胞体积增大。研究显示，MDS患者骨髓细胞死亡以细胞焦亡为主[15]。Toll样受体(Toll like receptor，TLR) 2和TLR4表达于巨核细胞、红细胞、骨髓前体细胞、B淋巴细胞等几乎所有的骨髓细胞系中，与健康对照组相比，二者在MDS组患者中表达升高，MyD88[16]和TRAF6在HSPC中也过度表达[17]。TLR2的高表达常见于低危组MDS患者中，可积累β-连环蛋白(β-catenin)，增加组蛋白H4的乙酰化作用，诱导细胞焦亡[18]。有研究显示，TLR2单克隆抗体OPN-305对去甲基化药物无效的低危MDS患者的治疗总反应率可达3/6[19]。TLR4可促进HSPC的异常增殖，并促进CD34＋骨髓单核细胞的凋亡[16]。钙结合蛋白S100A8和S100A9是TLR4信号通路中的内源性损伤相关的分子模式(damage associated molecular patterns，DAMP)，S100A9可通过免疫受体酪氨酸抑制基序(immunoreceptor tyrosine inhibition motif ，ITIM)激活CD33，产生IL-10和TGF-β，诱导MDSC的增殖，S100A9可触发MDS患者HSPC的细胞焦亡，其转基因小鼠表现出类似MDS的造血细胞，而阻断S100A9/CD33/TLR4信号通路可修复MDS造血细胞[20]。S100A9可活化NLRP3，诱导炎性小体的装配，促进细胞焦亡[21]。细胞焦亡早期主要出现Caspase-1的活化，低危MDS组(n＝10)患者骨髓中S100A9、NLRP3表达及ASC斑点百分比与高危组(n＝10)患者相比增高更为明显，而细胞焦亡后期则以核因子-B及Caspase-3的表达为主[22]，说明MDS的早期阶段以细胞焦亡为主，而晚期阶段则以细胞增殖及凋亡为主。S100A8/S100A9复合物及MDS体细胞基因突变可激活NADPH氧化酶(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NOX)，增加细胞内活性氧的水平，并活化Wnt/β-catenin信号通路，引起RNA剪切基因U2AF1、SF3B1、SRSF2拼接点的突变，促进MDS的发生，这正是MDS存在明显的基因异质性，却具有相似的生物学表型的基础。若阻断S100A9/ NLRP3/β-catenin信号通路，或抑制活性氧，则会恢复MDS中的异常造血[23]。
5q－MDS是MDS中具有特征性的亚分类，该类患者可被检测到S100A8/A9及TRAF6的高表达[24]。5q－MDS患者中，RPS14杂合子的缺失会导致红细胞生成障碍，当S100A8失活后，5q－MDS患者红细胞的缺陷可被修复，这表明S100A8/S100A9也是Rps14杂合性缺失引起的5q－MDS的发病机制[25]。5q－MDS患者中，TLR4的功能异常可导致微小RNA(microRNA，MiRNA)-145(5q33.1)和MiRNA-146a(5q22.2)表达的缺失，其靶点分别是TIRAP和TRAF6。MiRNA-145和MiR-146a的缺失会导致炎症因子IL-6和IL-1的过表达，促进MDS的进展。研究发现，MiRNA-146a缺失的小鼠易发生自身免疫缺陷并且对脂多糖诱导的感染性休克易感，敲除MiRNA-145和MiRNA-146a的嵌合体小鼠也出现类似5q－MDS的表现[24]。
表观遗传调节剂的突变也可影响MDS的发生、发展。约20%的MDS患者中可见到TET2基因功能缺失，10%的患者中出现DMNT3基因功能缺失[26]。TET2基因能够在炎症过程中选择性介导对髓系前体细胞中IL-6的转录抑制，TET2基因缺失可以在脂多糖诱发的免疫应答晚期阶段上调IL-6的表达，有研究进一步发现，IL-6特异性的转录因子核转录因子-κB抑制因子(nuclear transcription factor-κB inhibitor，IκB)介导了Tet2对IL-6启动子的特异性靶向调节[26]。此外，在TET2基因缺失的巨噬细胞中可发现Ccl-7、Cxcl1、Cxcl2、CXcl3、IL-1、IL-1、Mapk11和Socs1基因的表达水平上调[27]。DMNT3也会影响固有免疫系统的基因表达。DMNT3基因介导的甲基化可引起巨噬细胞中HDAC9和TBK1基因的表达升高，进一步引起干扰素-1的表达增加，而DMNT3敲除的小鼠中干扰素水平下降。这些炎症因子形成骨髓炎性微环境，诱导MDS细胞的克隆和增殖[28]。
细胞焦亡作为一种新的程序性细胞死亡的方式正逐步被研究者所熟识，其调动固有免疫系统清除病原体的同时，也引起机体多种疾病的发生、发展。MDS是一种与慢性炎症和免疫刺激相关的疾病，细胞焦亡系统中TLR信号通路、骨髓微环境的改变，以及HSPC表面S100A9的分泌均维持了炎症环境。炎症环境与基因突变，以及DAMP信号通路共同作用，促使HSPC的增殖，引发MDS。因此，深入研究MDS与细胞焦亡的关系并寻找治疗新靶点，可为未来MDS的治疗提供新的策略。
无
