2017年9月25日/生物谷BIOON/---2001年，cookson等首次使用pyroptosis來形容在巨噬細胞中發現caspase-1依賴的細胞死亡方式。細胞焦亡（pyroptosis）的發現並證實是一種新的程序性細胞死亡方式，其特徵為依賴於半胱天冬酶-1(caspase-1)，並伴有大量促炎症因子的釋放。細胞焦亡的形態學特徵、發生及調控機制等均不同於凋亡、壞死等其他細胞死亡方式。
迄今為止，已經證實弗氏志賀氏桿菌、沙門氏桿菌、李斯特桿菌、綠膿桿菌、弗朗西斯氏菌屬、嗜肺性軍團桿菌以及葉爾森桿菌均可誘導巨噬細胞產生caspase-1依賴的細胞死亡方式。研究發現，caspase-1依賴的細胞死亡方式不僅存在於單核巨噬細胞系，還存在於樹突狀細胞等其他細胞中。誘導細胞產生caspase-1依賴細胞死亡的刺激原也不僅局限於病原體，一些非生物性的刺激源，如損傷相關模式分子(danger／damage associated molecularpattern，DAMP)、缺血壞死的產物等也可誘導細胞caspase-1依賴的細胞死亡。
此後，科學家們發現細胞焦亡本質上是由 GSDMD（gasdermin D）蛋白介導的細胞炎性壞死，與多種病理生理過程緊密相關。一旦發生，GSDMD 蛋白的 N - 端高聚並與脂類結合，在細胞膜上形成孔洞，細胞逐漸膨脹至細胞破裂，最終大量細胞內含物如 IL-1β釋放，激活強烈的炎症反應。
研究表明，細胞焦亡廣泛參與感染性疾病、神經系統相關疾病和動脈粥樣硬化性疾病等的發生發展，並發揮重要作用。對細胞焦亡的深入研究有助於認識其在相關疾病發生發展和轉歸中的作用,為臨床防治提供新思路。
1.Nature：細胞焦亡在腫瘤化療中發揮重要作用近日，一篇發表在國際雜誌nature上的研究報告中，來自北京生命科學研究所的邵峰院士課題組報導發現細胞焦亡的重要蛋白GSDME(DFNA5)。該蛋白在腫瘤化療藥物的作用下，通過caspase-3的切割作用獲得活性，誘導
腫瘤細胞的細胞焦亡，並在化療藥物對正常組織的毒副作用中扮演重要角色。
此前邵峰院士已經發表了有關文章證明GSDMD蛋白在細胞焦亡中的重要作用，此次，他們關注的是與GSDMD屬於同一蛋白家族的GSDME蛋白。GSDME是非常古老而保守的蛋白，斑馬魚中的GSDME蛋白與人中的有50%的相似性，說明GSDME介導的細胞焦亡在進化上是保守且重要的。
進一步實驗證明，GSDME在TNFa和CHX的誘導下，被caspase-3特異性的切割D270A位點而斷成兩部分並獲得活性。斷裂後的GSDME蛋白的N端蛋白具有打孔活性，能插入細胞膜形成孔洞，從而引發細胞焦亡，若突變切割位點D270A，則不能實現細胞焦亡。此外，在caspase-3缺失的細胞中，細胞可通過caspase-7的激活進入
細胞凋亡，而不是細胞焦亡。
接下來研究人員進一步探究了在
腫瘤的化療藥物引起的細胞死亡中，GSDME介導的細胞焦亡是否發揮了作用。人神經母細胞瘤SH-SY5Y細胞和人惡性
黑色素瘤MeWo細胞具有GSDME較高水平的表達，在Topotecan， Etoposide， Cisplatin等化療藥物作用下，細胞發生明顯的細胞焦亡而不是細胞凋亡，說明GSDME作為抑癌基因有望成為臨床治療的新方向。
然而在大部分腫瘤細胞中，由於啟動子區的DNA甲基化，GSDME的表達往往是沉默的。研究人員發現，對於GSDME表達較低的細胞，DNA甲基化酶抑制劑decitabine能顯著提高GSDME的表達，將decitabine和化療藥物（阿黴素等）聯合用藥，對
腫瘤細胞有明顯的殺傷效果。
有趣的是，除了探究GSDME在腫瘤化療中的作用，研究人員發現與在
腫瘤細胞中沉默表達相反，GSDME在正常組織中均有表達，那麼GSDME是否是化療藥物殺傷正常組織細胞的幫兇呢？研究發現，敲除GSDME的小鼠在接受化療藥物後，可以免受多種器官的損傷，比如小腸絨毛並且野生型小鼠在接受化療藥物後體重降低15%，而敲除GSDME的小鼠體重變化不明顯，這說明GSDME在化療藥物的毒副作用中發揮重要作用。
2.PNAS：復旦大學細胞焦亡作用機理研究獲進展復旦大學生命科學學院李繼喜課題組在炎性壞死（細胞焦亡）作用機理研究方面取得重要進展。相關成果日前發表於美國《國家科學院院刊》。
在此之前，科學家們尚未獲得GSDMD 蛋白高解析度三維結構信息，從自抑制狀態到活化狀態的構象變化也不清楚。
李繼喜團隊通過 X - 光晶體衍射方法解析了 GSDMD- C 的三維精細結構，並結合 X - 射線小角衍射和動態光散射等技術分析了 GSDMD 的溶液結構及物理化學性質。研究發現，GSDMD- C 的第一段柔性區域深入到 GSDMD- N 結構域中，對 GSDMD 的穩定性起著很大作用。同時，基於三維結構的定點突變及替換實驗表明，該區域對於細胞存活至關重要。
表面電荷分布則表明，與 C 端結構域分開後，GSDMD 的 N 端結構域表面暴露出來，通過正負電荷之間的相互作用，進一步寡聚從而引起細胞焦亡。
3.Nature：揭示細胞焦亡作用機制，有望治療細菌感染和敗血症耐藥性的細菌感染越來越引發人們的擔憂，就像敗血症---免疫系統的最後一道防線不能夠抵抗細菌感染，因而是非常致命的---那樣。在一項新的研究中，來自美國波士頓兒童醫院、哈佛醫學院和布萊根婦女醫院的研究人員描述了一種新方法潛在地控制敗血症和引起敗血症的失控的
細菌感染。相關研究結果於2016年7月6日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Inflammasome-activated gasdermin D causes pyroptosis by forming membrane pores」。論文通信作者為來自波士頓兒童醫院細胞與分子醫學計劃的Judy Lieberman博士和Hao Wu博士。
近期的研究已證實在細菌侵入的任何徵兆出現時，炎性體（一種蛋白複合體）被激活。這種激活觸發一種被稱作細胞焦亡（pyroptosis）的過程：被感染的宿主細胞炸裂開來，釋放出
細菌和敲響免疫警報的化學信號。但是也存在一種平衡：免疫警報過於強大能夠觸發敗血症，導致致命性的血管和器官損傷。
一旦活化，炎性體激活半胱天冬酶，而這種酶經激活後將一種被稱作gasdermin D的分子切成兩段。這種切割釋放出gasdermin D的活性片段，即gasdermin-D-NT。但是這如何導致細胞焦亡是不清楚的。
如今，Lieberman、Wu和他們的同事們證實gasdermin-D-NT發揮雙重作用。一方面，它在正在感染宿主細胞的細菌的細胞膜上打孔，從而殺死這些細菌；同時，它也在宿主細胞的細胞膜上穿孔，導致細胞焦亡，從而殺死宿主細胞，釋放出
細菌和免疫警報信號。他們發現附近未被感染的宿主細胞毫髮未傷。
另一方面，研究人員發現gasdermin-D-NT直接殺死宿主細胞外面的
細菌，包括大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和李斯特菌。在培養皿中，這發生很快，在5分鐘內完成。
這些結果還需要在細菌感染和敗血症模式動物體內再現，但是Lieberman認為理解gasdermin-D-NT如何發揮作用可能被用來協助治療高度危險的
細菌感染。
4.Cell Res：caspase11切割gasderminD引發「細胞焦亡」炎性caspase家族蛋白——包括caspase1,4,5，11（其中4,5存在於人中），對於免疫反應的信號傳遞起到了關鍵的作用。它們是組成"炎症小體"（inflammasome）的重要元件，後者介導了多種促炎性分子（pro-IL-1beta，pro-IL-18）的表達與分泌。
炎性caspase同時還參與了一類叫做"細胞焦亡"的事件的發生。實驗證明，革蘭氏陰性菌中的脂多糖（LPS）能夠激活宿主體內caspase1或者caspace4,5活性，也有實驗證明caspase4,5,11能夠與LPS直接結合。這些炎性caspase的激活能夠促進細胞焦亡事件的發生，同時能夠激活NLRP3炎症小體，並引發熱休克症狀。然而，炎性caspase究竟是如何調節這些細胞事件至今仍然有待解決。
最近，來自UCSF的Vishva M Dixit研究組與來自NIBS的邵峰研究組分別發現了一類炎性caspase的關鍵性底物：gasderminD，該蛋白的切割能夠引發細胞焦亡事件的發生。
其中，Dixit等人利用正向
遺傳學的手段對小鼠進行了大規模的基因誘變，並從中篩選能夠抑制caspase11信號通路的基因。該基因名為Gsdmd，存在一個105位的異亮氨酸到賴氨酸的突變。他們發現這一突變體小鼠不能夠正常發生細胞焦亡，而且在轉染LPS後也不能夠正常產生IL-1β。邵峰等人則利用crispr-cas9技術通過體外的敲除試驗鎖定了關鍵性的蛋白——gasderminD。
之後，兩個組都對這一蛋白進行小鼠基因敲除，並證明該蛋白確實參與了caspase-11依賴性的細胞焦亡。邵峰等人來證明gasderminD與細胞壞死性希望以及細胞凋亡過程均沒有必然聯繫。
為了進一步探究gasderminD是如何影響細胞焦亡的發生，兩個研究組利用一系列生化實驗證明caspase11能夠特異性地在Asp276,Gly277位點之間對gasderminD進行切割，從而產生N端30kDa左右的蛋白以及C端22kDa左右的蛋白。其中N端的蛋白是引發細胞焦亡的活性元件，而C端則對gasderminD的切割起到了抑制的作用。作者通過將gasderminD進行突變使其不能被正常切割，結果顯示該突變的蛋白不能引發細胞焦亡的發生。
邵峰等人還鑑定出了除gasderminD以外，同一家族的其它不能被caspase切割的蛋白。由於gasderminD也能夠被caspase1切割，因此邵峰等人認為gasderminD還參與了經典的炎症小體引發的細胞焦亡。後續的實驗證實了他們的猜想。最終，Dixit等人對野生型小鼠，gasderminD敲除小鼠以及caspase11敲除小鼠進行LPS誘導熱休克模型試驗。結果顯示，gasderminD敲除小鼠能夠免受LPS引發的熱休克致死效應，與caspase11敲除小鼠表型一致。這一結果也符合之間的假設。
5.Cell Res：廈門大學韓家淮教授課題組發現細胞焦亡關鍵蛋白2015年11月27日，廈門大學生命科學學院韓家淮教授課題組在《Cell Research》雜誌在線發表題為「Gasdermin D is an executor of pyroptosis and required for interleukin-1β secretion」的文章。該文章的第一作者為博士研究生何琬婷，韓家淮教授和博士後鍾傳奇為文章的共同通訊作者。
韓家淮教授課題組運用定量質譜技術分析NLRP3免疫共沉澱複合體，鑑定出了炎症小體另一關鍵組成蛋白Gasdermin D(GSDMD)。GSDMD是半胱天冬酶-1的底物，剪切後的GSDMD氨基端肽段是細胞焦亡和炎症因子分泌所必需的。gsdmd基因敲除可以有效阻止細胞焦亡和白介素-1β的分泌，細胞轉而發生凋亡。該研究成果提供給我們有關細胞焦亡分子機制的新認識，並揭示了細胞焦亡與細胞凋亡之間意想不到的轉換關係。這一研究也給人們治療某些
自身免疫疾病和炎症疾病提供理論依據。
6.Nature：邵峰實驗室解析細胞焦亡的關鍵分子機制2015年9月16日，我國北京生命科學研究所邵峰實驗室在《Nature》雜誌在線發表名為「Cleavage of GSDMD by inflammatory caspases determines pyroptotic cell death」的長文，解析細胞炎性壞死（細胞焦亡，pyroptosis）的關鍵分子機制。
細胞炎性壞死或細胞焦亡是機體在感知病原微生物浸染後啟動的免疫防禦反應，在拮抗和清除病原感染以及內源危險信號中發揮重要作用。細胞焦亡本質上一種程序性細胞壞死；細胞膜形成孔洞，細胞逐漸膨脹至細胞膜破裂，最終導致大量細胞內容物釋放，激活強烈的炎症反應。過度的細胞焦亡會誘發多種自身炎症性和
自身免疫性疾病；最近也有研究顯示愛滋病的發生也和細胞焦亡有關。細胞焦亡被認為由兩種含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（caspase）介導，包括caspase-1和caspase-4/5/11。Caspase家族包括十多個成員，其中絕大部分都在細胞凋亡中發揮功能。Caspase-1和caspase-4/5/11則屬於炎性caspase。事實上，caspase-1是最早被發現的caspase家族成員，早在上世紀90年代初就被發現可以誘導細胞死亡（一度被誤認為是凋亡）。
Caspase-1由一個被稱為炎症小體（Inflammasome）的複合物在感知病原信號後激活，是細胞質天然免疫最為重要的通路之一。邵峰實驗室在此前的研究中曾鑑定了多個感知病原細菌的天然免疫受體蛋白(Zhao et al., Nature 2011; Xu et al., Nature 2014)，負責介導炎症小體組裝和下遊caspase-1的激活。在去年的研究中（Shi et al., Nature 2014），邵峰實驗室還發現人的caspase-4/5和小鼠的caspase-11是細菌脂多糖（LPS，又稱為內毒素）的胞內受體，在結合LPS後發生寡聚而活化，誘導細胞焦亡，在內毒素休克和革蘭氏陰性
細菌誘導的敗血症中發揮至關重要的作用。然而，長期以來人們對caspase-1/4/5/11活化如何引發細胞焦亡的機制則完全不清楚。
在這項最新的研究中，邵峰實驗室的研究人員利用最新的CRISPR/Cas9基因組編輯技術，在小鼠的巨噬細胞中針對caspase-1 和caspase-11介導的細胞焦亡通路，分別進行了全基因組範圍的
遺傳篩選，以尋找那些敲除後可以抑制細胞焦亡的基因。有意思的是，這兩個篩選都鑑定到了一個名為GSDMD的、功能未知的蛋白。通過構建GSDMD基因敲除的小鼠巨噬細胞和人的HeLa細胞，他們進一步驗證了GSDMD缺失可以完全抑制所有已知炎症小體和
細菌LPS引起的細胞焦亡；並且在這些敲除的細胞中外源表達GSDMD都可以回復細胞焦亡的發生。有趣的是，GSDMD缺失並不抑制caspase-1本身的激活和對下遊白介素1β的切割，但切割後成熟的白介素1β卻幾乎不能分泌到細胞外，顯示細胞焦亡對於白介素1β的分泌必不可少，該結果也暗示GSDMD在炎性caspase的下遊發揮作用。通過生物化學的研究，他們發現GSDMD是所有炎性caspase的共有底物，它們特異性的切割GSDMD兩個結構域中間的連接區域，而凋亡相關的caspases卻不具備該活性；將不能被caspase-1/4/5/11切割的GSDMD回補到GSDMD敲除的細胞也不能介導細胞焦亡發生，說明該切割對於細胞焦亡是必需的。值得注意的是，GSDMD在被炎性caspase切割後釋放出來的的N端結構域其自身就足以引發細胞焦亡；在通常情況下，N端和C端結構域很強地相互作用，使得 GSDMD處於無活性的自抑制狀態。在細胞中表達基因工程改造的GSDMD（在兩個結構域中間插入其它蛋白酶位點或caspase-3/7的切割位點），可以使細胞在其它蛋白酶刺激下發生焦亡，甚至可以將細胞凋亡轉化為焦亡。這些結果進一步證明GSDMD的N端結構域具有誘發細胞焦亡的活性。
GSDMD屬於一個被稱為gasdermin的功能未知的蛋白家族，該家族還包括GSDMA，GSDMB，GSDMC，DFNA5，DFNB59等。邵峰實驗室進一步研究發現，這些gasdermin蛋白的N端大都可以引發細胞焦亡；和GSDMD一樣，在沒有感染的情況下它們也是通過N端和C端的自抑制作用保持無活性狀態。人的DFNA5和小鼠Gsdma3的提前終止突變（翻譯出可以誘發細胞焦亡的片斷）分別導致人類非症候群性耳聾（Nonsyndromic hearing impairment）和小鼠脫毛以及皮膚發炎等疾病，預示這些疾病都是由gasdermin蛋白引發非正常細胞焦亡所導致。有趣的是，除GSDMD外，其它的gasdermin蛋白都不能被炎性caspase切割，說明它們可能通過其它機制響應病原微生物感染，但最終也會通過啟動細胞焦亡激活天然免疫反應。
本研究首次發現了所有炎性caspase的一個共同底物蛋白GSDMD，並且證明該蛋白的切割對於炎性caspase激活引發的細胞焦亡既是必要的也是充分的，這也是首次揭示細胞焦亡和炎性壞死的關鍵分子機制，為多種自身炎症性疾病和內毒素誘導的敗血症提供了一個全新的藥物靶點。此外，該研究還首次鑑定了gasdermin家族蛋白誘導細胞焦亡的功能，進而重新定義了細胞焦亡的概念，並開闢了一個新的程序性細胞壞死的研究領域。
7.Nature：王大成院士與邵峰院士合作破解細胞焦亡的關鍵分子機理2016年6月8日，中科院生物物理研究所所研究員、中國科學院大學崗位教授王大成院士課題組與客座研究員、北京生命科學研究所邵峰院士課題組通力合作，在《Nature》雜誌上在線發表題為「Pore-forming activity and structural autoinhibition of the gasdermin family」的研究長文，首次解析GSDMD蛋白家族重要成員的三維結構，與生物功能研究有機結合，確證GSDMD為細胞炎性壞死的直接『殺手』，揭示GSDMD蛋白以及其它gasdermin家族蛋白介導細胞焦亡和在天然免疫中發揮功能的結構和分子機理，為研發
自身免疫疾病和敗血症等疾病的創新藥物奠定了堅實理論基礎，開闢了以針對gasdermin家族蛋白為基礎的創新生物醫藥研發新方向，引起高度重視。
在這項最新的研究中，研究人員首先發現幾乎所有的gasdermin家族蛋白的N端結構域都具有誘導細胞焦亡的功能，在細菌中也顯示出明顯的致死毒性。這一現象暗示gasdermin N端結構域可能是通過直接破壞細胞膜而殺死細胞。隨後，研究人員利用活化形式的GSDMD，GSDMA和GSDMA3蛋白通過生化實驗發現，這三種gasdermin蛋白的N端結構域均能夠特異地結合真核細胞膜上特有的磷酸化磷脂醯肌醇（phosphoinositide）和原核細胞膜上特有的心磷脂（cardiolipin），這與gasdermin N端結構域在真核細胞和
細菌中均展示出細胞毒性相一致。通過生物化學和螢光顯微成像的細胞實驗，研究人員進一步證實，在真核細胞焦亡過程中，活化的gasdermin N端結構域會從細胞質中轉移到細胞膜上，細胞隨後出現體積膨脹和細胞膜向胞外吐泡的現象。此外，活化的gasdermin N端結構域重組蛋白只能從真核細胞內部破壞細胞膜，而直接加入到細胞培養上清中的蛋白則不能裂解細胞，這與磷酸化磷脂醯肌醇只分布在細胞膜內側完全吻合。
利用脂質體洩漏實驗，研究人員進一步發現gasdermin N端結構域能高效特異地破壞含有磷酸化磷脂醯肌醇或心磷脂的脂質體。利用不同尺寸葡聚糖分子，他們發現破壞後的脂質體只能允許小於10
納米尺度的分子被釋放，該現象提示gasdermin N端結構域有可能在脂膜上聚合形成規則的孔道。生化交聯實驗結果證實gasdermin N端結構域在結合脂質體或是在細胞焦亡中轉位上膜後都會發生高度聚合。利用負染電鏡的方法，他們首次觀察到gasdermin N端結構域能在特異磷脂或天然磷脂組成的膜形成很多蜂窩狀的孔道，這些孔道的內徑約10-14
納米。進一步的電鏡分析表明gasdermin N端結構域在膜上形成16元聚合體的孔道。此外，他們還通過對GSDMA3蛋白高解析度晶體結構的解析，揭示了gasdermin N端結構域作為一種全新的打孔蛋白的獨特結構特徵，以及與C端結構域之間的精細的自抑制相互作用。基於結構設計的點突變實驗結果進一步確認了gasdermin N端結構域結合膜脂和在膜上打孔的特性是其誘導細胞焦亡的分子基礎。
這項研究證明了GSDMD是炎性caspase誘導細胞焦亡的直接『殺手』，首次揭示了gasdermin 家族蛋白的N端結構域具有在膜上打孔進而破壞細胞膜的功能，這不僅清晰闡明了炎性caspase通過GSDMD誘導細胞焦亡的分子基礎，也將細胞焦亡的概念重新定義為由gasdermin介導的細胞程序性壞死。研究結果不僅為針對GSDMD開發自身炎症性疾病和敗血症的藥物奠定了堅實的理論基礎，也為後續研究其它gasdermin蛋白在程序性細胞壞死和天然免疫中可能的生理功能開闢了道路。（
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