一细胞焦亡概述
细胞焦亡（Pyroptosis）又称细胞炎性坏死，是一种程序性细胞死亡，表现为细胞不断胀大直至细胞膜破裂，导致细胞内容物的释放进而激活强烈的炎症反应。细胞焦亡是机体一种重要的天然免疫反应，在抗击感染中发挥重要作用。细胞焦亡是由gasdermin介导的细胞程序性坏死。
细胞焦亡是近年来发现并证实的一种新的程序性细胞死亡方式，其特征为依赖于半胱天冬酶-1（caspase-1），并伴有大量促炎症因子的释放。细胞焦亡的形态学特征、发生及调控机制等均不同于凋亡、坏死等其他细胞死亡方式。研究表明，细胞焦亡广泛参与感染性疾病、神经系统相关疾病和动脉粥样硬化性疾病等的发生发展，并发挥重要作用，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和转归中的作用，为临床防治提供新思路。
细胞焦亡（Pyroptosis）是一种最新发现的炎症细胞程序性死亡方式，主要通过炎症小体介导包含Caspase-1在内的多种Caspase的激活，造成包括GSDMD在内的多种Gasdermin家族成员发生剪切和多聚化，造成细胞穿孔，进而引起细胞死亡。相比于细胞凋亡（apoptosis），细胞焦亡发生的更快，并会伴随着大量促炎症因子的释放。
细胞发生焦亡时，细胞会发生肿胀，在细胞破裂之前，细胞上形成凸出物（图A），之后细胞膜上形成孔隙，使细胞膜失去完整性，释放内容物，引起炎症反应，此时，细胞核位于细胞中央（图B），随着形态学的改变，细胞核固缩，DNA断裂。
二细胞焦亡信号通路
分为依赖Caspase-1的经典途径和依赖Caspase-4、5、11的非经典途径。
（1）依赖Caspase-1的经典途径
在细菌，病毒等信号的刺激下，细胞内的模式识别受体作为感受器，识别这些信号，通过接头蛋白ASC与Caspase-1的前体结合，形成多蛋白复合物，使Caspase-1活化，活化的Caspase-1一方面切割Gasdermin D，形成含有Gasdermin D氮端活性域的肽段，诱导细胞膜穿孔，细胞破裂，释放内容物，引起炎症反应；另一方面，活化的Caspase-1对IL-1β和IL-18的前体进行切割，形成有活性的IL-1β和IL-18，并释放到胞外，募集炎症细胞聚集，扩大炎症反应。
（2）依赖Caspase-4、5、11的非经典途径
在细菌等信号的刺激下，Caspase-4、5、11被活化，活化的Caspase-4、5、11切割Gasdermin D，形成含有Gasdermin D氮端活性域的肽段，一方面诱导细胞膜穿孔，细胞破裂，释放内容物，引起炎症反应；另一方面，诱导Caspase-1的活化，对IL-1β和IL-18的前体进行切割，形成有活性的IL-1β和IL-18，并释放到胞外，募集炎症细胞聚集，扩大炎症反应。
三细胞焦亡的检测方法
（1）形态变化
①扫描电镜观察细胞形态
②TUNEL染色
③免疫荧光染色（GSDMD/GSDME）
（2）检测焦亡相关蛋白
①q-PCR/Western Blot方法检测焦亡相关基因或蛋白的表达水平
（例如，Caspase-1、4、5、11；GSDMD ; CleavedCASP-3等）
②ELISA试剂盒检测IL-1β、IL-18等炎症因子的水平
③MTT法测定细胞活力
四细胞焦亡的研究领域
细胞焦亡是机体重要的免疫反应，在拮抗感染和内源性危险信号中发挥重要作用。广泛参与肿瘤、感染性疾病、代谢性疾病、神经系统相关疾病和动脉粥样硬化性疾病等的发生发展。
（1）细胞焦亡与感染性疾病
在病原体感染时，适度的细胞焦亡可清除致病微生物，而过度的细胞焦亡在导致细胞死亡的同时，释放炎症因子，扩大炎症反应，造成发热，低血压、败血症等症状。以败血症为例，败血症是由致病菌侵入血液系统，并在其中生长繁殖，产生毒素，引起全身性感染，最新研究表明，细胞自噬相关基因Atg7沉默后，可激活细胞焦亡途径。
（2）细胞焦亡与代谢性疾病
最新的研究显示高血糖可以造成活性氧的产生增加，进而上调NF-κB和TXNIP，NF-κB又可以上调NLRP3、IL-1β前体以及IL-18前体的表达；TXNIP通过改变NLRP3的结构激活Caspase-1，活化的Caspase-1一方面切割Gasdermin D，形成含有Gasdermin D氮端活性域的肽段，诱导心肌细胞膜穿孔、破裂，释放内容物，引起炎症反应；另一方面，活化的Caspase-1对IL-1β和IL-18的前体进行切割，形成有活性的IL-1β和IL-18，并释放到胞外，募集炎症细胞聚集，扩大炎症反应。
（3）细胞焦亡与神经系统疾病
神经系统疾病包括脑损伤，癫痫等。以癫痫为例，研究发现，癫痫发作可通过钾离子外流等途径激活NLRP1炎症体，进而激活依赖Caspase-1的焦亡途径，导致癫痫进一步发展。
（4）细胞焦亡与动脉粥样硬化
在动脉粥样硬化的发展中，炎症被认为是启动和驱动动脉粥样硬化的主要因素。在高血脂、氧化修饰的低密度脂蛋白等几次下，激活Caspase-1，介导血管内皮细胞、巨噬细胞、血管平滑肌细胞的焦亡与炎症反应，导致血管扩张功能障碍、坏死中心的形成，粥样硬化斑块的稳定，最终造成动脉粥样硬化。
（5）细胞焦亡与肿瘤
研究发现，在ROS及细胞毒素的作用下，JNK激酶被激活并转移到细胞核内，促进焦亡相关基因的表达，启动焦亡的形成，控制肿瘤的发展。
五区 别
支撑阅读
细胞焦亡和细胞凋亡的区别1、定义
细胞焦亡（Pyroptosis）又称细胞炎性坏死，是一种程序性细胞死亡。
细胞凋亡（apoptosis）指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的死亡。
2、表现
细胞焦亡表现为细胞不断胀大直至细胞膜破裂，导致细胞内容物的释放进而激活强烈的炎症反应。
细胞凋表现为细胞体积缩小，连接消失，与周围的细胞脱离，然后是细胞质密度增加，线粒体膜电位消失，通透性改变，释放细胞色素C到胞浆，核质浓缩，核膜核仁破碎等。
3、特征
细胞焦亡特征为依赖于半胱天冬酶-1（caspase-1），并伴有大量促炎症因子的释放。细胞焦亡的形态学特征、发生及调控机制等均不同于凋亡、坏死等其他细胞死亡方式。
细胞凋亡不是一件被动的过程，而是主动过程，它涉及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用，它并不是病理条件下，自体损伤的一种现象，而是为更好地适应生存环境而主动争取的一种死亡过程。
细胞焦亡研究必看六篇经典综述
News Watch
细胞焦亡又称细胞炎性坏死，是一种程序性细胞坏死，表现为细胞不断胀大直至细胞膜破裂，导致细胞内容物的释放进而激活强烈的炎症反应。半胱氨酸蛋白酶Caspases通过切割gasermin D（GSDMS）的氨基端和羧基端的连接体，从而调控了细胞焦亡。
细胞焦亡是先天免疫系统对病原体产生的重要免疫反应，其与炎性小体有非常密切的关系，炎性小体的活化能够促进细胞焦亡。
那么，想要了解细胞焦亡，让我们从“炎性小体”和“细胞坏死”的经典综述着手。
The Inflammasomes
DOI 10.1016/j.cell.2010.01.040
炎性小体是由多种蛋白质组成的复合体，此概念由Tschopp研究小组于2002年首次提出。炎性小体能够调节胱冬肽酶-1（caspase-1）的活化进而在天然免疫防御的过程中促进细胞因子前体pro-IL-1β和pro-IL-18的切割成熟。其还能调节caspase-1依赖的细胞焦亡。
这篇综述中，介绍了正常的炎性小体和疾病中异常调控的炎性小体的功能。并详细讨论了含有传感蛋白NLRP1、NLRP3、IPAF、AIM2炎性小体的激活机制。
Recognition of Bacteria by Inflammasomes
doi:10.1146/annurev-immunol-032712-095944
这篇综述是介绍含有NLR、PYHIN传感蛋白的炎性小体，在探察细菌感染以及启动固有免疫应答的不同机制。
炎性小体在触发内源性免疫应答中起着非常重要的作用，其作为激活炎症半胱天冬酶蛋白酶的平台。Capase1通过切开IL-1beta和IL-18启动固有免疫应答，促进其激活和释放。有一些已经被报道过的含有特定传感蛋白的炎性小体，可以探测并快速启动固有免疫应对多种的以及快速进化的细菌。
Inflammasomes in health and disease
doi:10.1038/nature10759
炎性小体是一类包裹着NLRP3、NLRC4、AIM2、NLRP6蛋白复合物，其可以通过炎性小体识别多种微生物、应激以及损伤信号，然后直接激活Capase1，随后诱发促炎因子的分泌，最终导致细胞焦亡。在细菌感染以及调控代谢及免疫应答过程中，炎性小体都起着很重要的作用。
在细菌感染或自发炎症疾病中，炎症小体调控炎症反应
代谢综合征中的炎性小体的作用
炎性小体调控多种组织的体内平衡以及粘膜中的免疫应答
Mechanisms and Functions of Inflammasomes
doi: 10.1016/j.cell.2014.04.007
已经有相关研究报道了炎性小体在应对危险时分泌IL-1beta、IL-18的精细调控机制。激活经典或非经典的Caspase1、11炎性小体，依然能触发细胞焦亡以应对感染。在临床上，抗IL-1的药物已经开发用于控制自身免疫性疾病。
引发并激活NLRP3炎性小体的信号通路
Roles of Caspases in Necrotic Cell Death
doi:10.1016/j.cell.2016.11.047
Caspase在介导炎症应答以及细胞凋亡中起着重要作用。而现在已经报道其可以介导了另外两种程序性细胞死亡：细胞焦亡、细胞坏死。
Programmed cell death as a defence against infection
doi:10.1038/nri.2016.147
真核细胞受到物理伤害会触发细胞坏死。而细胞本身也会由不同的信号通路介导的程序性死亡调控。这篇综述介绍了细胞焦亡相关通路。
在应激感染的细胞焦亡过程中的调控通路
5分钟看懂细胞焦亡
News Watch
★细胞焦亡(Pyroptosis)又称细胞炎性坏死，是一种程序性细胞死亡，表现为细胞不断胀大直至细胞膜破裂，导致细胞内容物的释放进而激活强烈的炎症反应。
★相⽐于细胞凋亡（apoptosis），细胞焦亡发⽣的更快，并会伴随⼤量促炎症因⼦的释放。
★细胞焦亡是机体重要天然免疫反应，在拮抗感染和内源危险信号中发挥重要作⽤。广泛参与肿瘤、感染性疾病、神经系统相关疾病和动脉粥样硬化性疾病等的发⽣发展。
下面通过通路来研究一下焦亡的作用机制：
基本机制是由上游蛋白组成炎性复合体激活caspase-1，去切割下游Gasdermin家族蛋⽩之⼀GSDMD，之后GSDMD蛋白释放N端片段，去识别并结合细胞膜上的磷脂类分⼦，并进⼀步在细胞膜形成孔洞，导致细胞渗透压变化，最终使得细胞膜裂解，发⽣焦亡。
下面通过细胞形态更直观的看一下焦亡的过程：
由依赖于半胱天冬酶（Caspase)炎性⼩体下游的Gasdermin介导,并伴有⼤量促炎症因⼦的释放，因此，通过检测Caspase-1、GSDMD、NLRP3等可判断是否发生细胞焦亡。
产品名称
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应用范围
应用种属
Caspase-1 Antibody
#2225
WB、IHC
H
Caspase-1（D7F10）Rabbit mab
#3866
WB、IP
H
Gasdermin D Antibody
#96458
WB、IP
H
NLRP3（D4D8T）Rabbit mab
#15101
WB、IP
H、M
CST另有炎性小体小包装试剂盒Inflammasome Antibody Sampler Kit #32961
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小优最近发现不少文献中都提到了细胞焦亡与其他细胞程序性死亡之间的“串话”与转化，如下图：
部分文献：
1、Leileston A C, Murphy A G, Maloy K J. Epithelial Cell Inflammasomes in Intestinal Immunity and Inflammation[J]. Frontiers in Immunology, 2017, 8:1168.
2、Byrne B G, Dubuisson J F, Joshi A D, et al. Inflammasome Components Coordinate Autophagy and Pyroptosis as Macrophage Responses to Infection[J]. Mbio, 2013, 4(1):00620-12.
完
