细胞在损伤或者受到物理创伤的时候会发生意外死亡,但过去40年的研究发现细胞在必要的时候会主动结束自己的生命。这一程序性细胞死亡与胚胎发育、内环境稳态以及疾病的病理发生密切相关,举个例子,人体由约1014个细胞组成,为了维持机体正常的器官功能,每天会有数百万个细胞发生凋亡并由新的分化细胞代替,凋亡的细胞包裹成凋亡小体被周围的细胞或者吞噬细胞降解,以此避免发生有害的炎症反应。与细胞凋亡不同的是,近些年发现的另外一些形式的程序性死亡如凋亡坏死和细胞焦亡,由于在细胞死亡过程中伴随着细胞膜破裂、细胞内容物外泄以及大量炎症因子的释放,引起了广大科研工作者的广泛关注。接下来,我们一起来看一看细胞焦亡这一神秘的细胞死亡方式吧!

 

一.细胞焦亡及形态学特征

细胞焦亡这一概念是由Cookson等人在2001年命名的,又称细胞炎性坏死,它是由炎性小体介导并激活Caspase-1在内的多种Caspase家族蛋白,促进促炎症因子的释放进而激活强烈的炎症反应。研究表明,细胞焦亡广泛参与感染性疾病、神经系统相关疾病、动脉粥样硬化以及癌症等的发生发展,所以对细胞焦亡的深入研究有助于认识其在相关疾病发生发展中的作用,为临床治疗提供新的思路。

细胞发生焦亡时,细胞肿胀,在细胞破裂之前,细胞膜上会形成突出物,之后在细胞膜上形成孔隙,此时细胞膜失去完整性,释放胞内内容物;与此同时,一些炎症因子随之释放,引发炎症反应;随着细胞的形态学转变,细胞核固缩,DNA断裂。

 

二.细胞焦亡信号通路

下图是细胞焦亡的分子机制

 

 

 

 

 

Lieselotte Vande Walle,et al. 2016 Current Biology

 

第一步:又称启动步骤,炎症小体(Inflammasome)识别细胞外细菌、病毒、药物等刺激后,促进转录合成pro-IL1βNlrp3caspase-11(caspase-4caspase-5 in human)等;第二步:又称激活步骤,分为caspase-1依赖性途径和caspase-1非依赖性途径(caspase4511依赖性途径)。

 

1. caspase-1依赖性途径

炎症小体募集pro-caspase-1并将其活化,一方面,活化的caspase-1pro-IL1βpro-IL18进行切割,形成有活性的IL1βIL18,并释放到胞外,募集炎症细胞聚集,扩大炎症反应。另一方面,活化的caspase-1切割Gasdermin DGSDMD),形成含有Gasdermin D N端活性域的肽段,Gasdermin D-N domain诱导细胞膜穿孔,释放内容物,引起炎症反应。

 

2. caspase-1非依赖性途径(caspase4511依赖性途径)

   细胞受到细菌等信号的刺激后会产生脂多糖,感应到脂多糖后caspase-11(caspase-4caspase-5 in human)被活化,活化的caspase-11(caspase-4caspase-5 in human)切割Gasdermin DGSDMD),进而诱导膜穿孔,细胞破裂产生炎症反应。值得注意的是,caspase-11(caspase-4caspase-5 in human)无法直接促进pro-IL1βpro-IL18成熟,但是它可以通过募集Nlrp3炎症小体活化caspase-1,活化的caspase-1促进pro-IL1βpro-IL18成熟并释放到细胞外。

 

说到这里,各位是不是还有点疑惑炎症小体、Gasdermin D都是什么东东,跟着小编一起来看一下吧~

 

1. 炎症小体(Inflammasome

炎症小体是由胞浆内模式识别受体(particular pattern recognition receptors)参与组装的多蛋白复合物。炎症小体能够识别病原相关分子模式(PAMPs)或者宿主来源的损伤相关分子模式(DAMPs),募集和激活半胱天冬酶-1Caspase-1),随后激活细胞焦亡。目前已经发现的炎症小体组成请见下图:

 

 

 

 

 

Lieselotte Vande Walle,et al. 2016 Current Biology

 

NOD-like receptorsNLRs)包括Nlrp1bNlrc4(又称IRAF)、Nlrp3是一类细胞内的感应器;AIM2能够感受DNA病毒或细菌感染时释放到细胞浆的dsDNAPyrin并不直接识别和结合病原微生物分子,而是感应各种细菌毒素对宿主细胞Rho家族小G蛋白的修饰和失活。这些蛋白必须含有caspase-1结合结构域CARD或者同时含有接头蛋白(ASC)结合结构域PYD

 

2. Gasdermin D

  Gasdermin D480个氨基酸组成,可分为两个功能结构域:N端的gasdermin-N domainC端的gasdermin-C domain,两个结构域之间由一个长loop环连接。Caspase-1caspase-11(caspase-4caspase-5 in human)可以将 Gasdermin Dloop环处剪切,gasdermin-N domain可以使细胞膜表面形成1-2nm的孔,进而促进焦亡的发生。研究表明,在哺乳细胞中过表达gasdermin-N domain足够诱导细胞发生焦亡,而Gasdermin D缺失的巨噬细胞在脂多糖的刺激下无法发生焦亡,此外在Gasdermin D缺失的情况下,caspase-1虽然可以使IL1β成熟,但是成熟的IL1β却无法分泌到细胞外,因为Gasdermin D的缺失导致细胞膜无法形成孔隙。可见Gasdermin D在细胞焦亡过程中起着关键的执行者作用,所以科学家呼吁细胞焦亡又叫做Gasdermin 介导的程序性细胞坏死。

 

三.细胞焦亡检测方法

扫描电镜观察细胞形态、TUNEL染色、免疫荧光染色如GSDMDq/PCR或者WB检测焦亡相关基因或蛋白的表达水平(如caspase-1\4\5\11GSDMD等),还可以ELISA试剂盒检测IL1βIL18炎症因子的表达水平。

Affinity很早就开始关注细胞焦亡的研究,认为这是未来研究的热门方向,所以早早的研发出了细胞焦亡相关的抗体提供给广大科研工作者,现罗列如下供大家参考~

 

 

 


 

 

 

 上文中提到Gasdermin D在细胞焦亡中起着执行者作用,AffinityGasdermin D抗体无论是在WB还是免疫荧光中都表现十分优异。

 

 

 

 

 

 

 

 

LPS处理后,GSDMD发生明显剪切,出现35KD的片段

 

 

GSDMD Antibody - C terminal  GSDMD Antibody - N terminal
LPS处理Hela细胞后,NGSDMD移向细胞膜,表示细胞发生焦亡

 

参考文献

Lieselotte Vande Walle, Mohamed Lamkanfi. Pyroptosis. Current Biology 26, R543R576, July 11, 2016[PubMed:27404251]

 

Cookson, B.T., and Brennan, M.A.. Proinflammatory programmed cell death. Trends Microbiol. 9, 113–114 ,2001[PubMed:11303500]

Jianjin Shi,Wenqing Gao,Feng Shao. Pyroptosis: GasderminMediated Programmed Necrotic Cell Death.Trends in Biochemical Sciences.2016[PubMed:27932073]

Lamkanfi , M., and Dixit, V.M. (2014). Mechanisms and functions of inflammasomes. Cell 157,

1013–1022,2014[PubMed:24855941]

Shi, J., Zhao, Y., Wang, K., Shi, X., Wang, Y., Huang, H., Zhuang, Y., Cai, T., Wang, F., and Shao, F. Cleavage of GSDMD by inflammatory caspases determines pyroptotic cell death. Nature 526, 660–665.2015[PubMed:26375003]                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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