Gasdermin D的结构功能及在病原感染防御中的作用

李嘉琪，周作勇,2，王芝英,2

(1.西南大学动物科学学院，重庆 荣昌 402460；2.重庆市兽医科学工程研究中心，重庆 荣昌 402460)

Gasdermin D(GSDMD)蛋白属于Gasdermin(GSDM)家族，是介导细胞焦亡(Pyroptosis)的重要蛋白[1]，在先天免疫防御和致死性内毒素血症中有重要作用。本文主要对GSDMD的结构特点、介导细胞焦亡和IL-1释放的机制，以及在病原体感染防御中的作用进行综述。

1 GSDMD蛋白概述

1.1 GSDMD结构 GSDMD分子量为53 kD，约含480个氨基酸，包括2个结构域，GSDMD的C端结构域(GSDMD-C)和GSDMD的N端结构域(GSDMD-N)，GSDMD-C为包含9个α-螺旋被反向平行的β12-β14覆盖的球状结构，GSDMD-N的核心是延伸、扭曲的β-折叠，域间存在2个相互作用位点[1-6]。GSDMD-C对GSDMD-N发挥抑制作用，GSDMD-C的第1个环(276～296AA)插入至GSDMD-N中，在稳定自抑制中起重要作用，接头序列替换该区域后细胞死亡水平上升[7]。由于GSDMD在原生状态下易形成高阶低聚物，目前尚未获得GSDMD高分辨率三维结构信息。GSDMA3与GSDMD的同源性达70%，Ding J等[5]根据同源性建模预测GSDMD的结构，如中插彩版图1。

1.2 Gasdermin家族 GSDMD是约有45%序列同源性的GSDM家族蛋白，GSDM家族在脊椎动物中保守[3-4]。人类GSDM家族包括GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、GSDME和DFNB59，小鼠无GSDMB，但是有3个GSDMA同系物(GSDMA1～3)和4个GSDMC同系物(GSDMC1～4)[1]。在GSDM家族中，除DFNB59外都存在双域结构，能在细胞焦亡中形成膜孔的Gasdermin的N端结构域(GSDM-N)是最保守的结构域[5]。由此，细胞焦亡可重新定义为由GSDM介导的程序性坏死。可能由于结构域间作用位点、作用模式不同，GSDM家族中其他蛋白尚未被发现能作为炎性Caspase底物[1,8]，是否能够释放GSDM-N介导细胞焦亡有待进一步研究。

2017年首次发现，在TNF或化疗药物诱导下，GSDME的N端结构域释放，使半胱氨酸蛋白酶3(Caspase-3)介导的细胞凋亡切换为细胞焦亡，敲除Gsdme基因小鼠可避免化疗带来的组织损伤和体重减轻[9]。其他GSDM蛋白的GSDM-N激活机制与功能仍待探索，Gsdmb基因等突变致病(尤其以炎症为特征的疾病)是否由于释放了有成孔活性的GSDM-N并触发细胞焦亡，可作为研究致病机制新方向。

2 GSDMD调控细胞焦亡

2.1 切割GSDMD释放细胞焦亡活性片段GSDMD-N 目前，GSDMD激活细胞焦亡主要有经典和非经典2条路径。经典路径由Caspase-1介导，炎性体识别病原微生物、内源性威胁后招募激活Caspase-1，活化的Caspase-1特异性切割GSDMD[1]。也有研究表明，未被激活的Caspase-1前体同样可切割活化GSDMD，GSDMD的切割与Caspase-1的激活可能是平行过程[3]。非经典路径中，小鼠Caspase-11及其人直系同源物Caspase-4、5与LPS直接结合发生寡聚活化，切割GSDMD后破坏其自身抑制作用，得到GSDMD-N和GSDMD-C[1-2]。GSDMD-N诱导巨噬细胞的细胞焦亡，GSDMD和GSDMD-C则毒性较小，未表现出诱导细胞焦亡的功能[1,3,5]。因此，真正引起细胞焦亡的是GSDMD-N，GSDMD-C可通过与GSDMD-N结合，抑制细胞焦亡。最近研究发现，耶尔森氏菌感染巨噬细胞后，其毒力蛋白YopJ通过抑制转化生长因子激酶1(TAK1)，活化Caspase-8并切割GSDMD，诱导细胞焦亡[10]。而中性粒细胞中，弹性蛋白酶(Neutrophil elastase，ELANE)可切割活化GSDMD，释放GSDMD-N，诱导中性粒细胞溶解性死亡，其切割位点位于Caspase切割位点上游[11]。

2.2 GSDMD-N片段形成膜孔触发细胞焦亡 显微成像发现，GSDMD-N由细胞质靶向细胞膜，细胞出现特征性的膨胀气泡并破裂[5]。GSDMD-N可与真核细胞膜上特有的磷酸化磷脂酰肌醇和原核细胞膜上特有的心磷脂结合，并在含有磷酸肌醇、心磷脂的脂质体或是天然极性油脂混合物的脂质体上广泛成孔[5,12]。由于磷脂酰肌醇在质膜上的不对称分布，GSDMD-N只从内部引起哺乳动物细胞裂解，不会伤害邻近哺乳动物细胞[12]。GSDMD-N通过电荷-电荷相互作用寡聚化，形成约16元对称原体(Protomers)的分子孔道，内径为10～16 nm，该孔径大小可允许成熟的IL-1β、IL-18通过[5,7]。孔道形成过程中无需其他蛋白作为膜受体或辅助因子，形成后可破坏细胞膜的正常渗透屏障，水和离子涌入，细胞体积增大、肿胀破裂，触发细胞焦亡[6,13]。目前，GSDMD未显示与任何已知的成孔毒素有显著同源性，GSDMD孔道的高分辨率结构未知。

3 GSDMD调控IL-1释放

IL-1家族的细胞因子是胞质蛋白，释放至胞外后表现促炎活性。其中，IL-1β成熟分泌是经典炎性体激活的主要反应之一。研究表明，激活炎性体后，Gsdmd基因缺失巨噬细胞不能完成IL-1β 的成熟分泌[1]。进一步观察鼠伤寒沙门菌感染的Gsdmd基因缺失巨噬细胞发现，胞内成熟IL-1β的分泌受到抑制[1]。由此确认，GSDMD不影响IL-1β成熟，但在成熟形式IL-1β分泌中起重要作用。

通常认为IL-1释放过程发生细胞死亡之后，但最新研究表明，巨噬细胞可达到超活化状态，在分泌IL-1的同时仍保持活力，GSDMD孔道对于IL-1β通过完好的脂质双分子层和分泌IL-1β是必需的[14]。GSDMD孔道除介导细胞焦亡外，可能是巨噬细胞在超活化条件下分泌细胞因子的通道。

4 GSDMD在病原感染防御中的作用

4.1 GSDMD与细菌性病原感染 最初认为，细胞焦亡可释放免疫逃避的胞内菌，使其被中性粒细胞吞噬、减少复制，实现防御细菌感染。但最近研究表明，细胞焦亡培养上清液可杀死游离细菌，随着GSDMD-N的消耗，杀伤作用被抑制，而纳摩尔浓度GSDMD-N即可结合并杀死革兰阴性和革兰阳性菌[11]。在哺乳细胞内，GSDMD-N的过表达对胞内菌同样表现杀伤作用[12]。以上试验结果均提示GSDMD-N有直接杀菌作用，目前已有研究表明，心磷脂可从细菌内膜转移到外膜，GSDMD-N可能通过靶向裂解细菌外膜，清除细菌[15]。但仍缺乏对GSDMD-N杀菌过程的可视化试验，同时需要确定GSDMD-N是否对机体控制感染产生重要影响。而心磷脂同样是线粒体内膜的重要组分，对于GSDMD-N能否裂解线粒体尚无研究。

4.2 GSDMD与病毒性病原感染 GSDMD主要通过介导细胞焦亡，参与机体对病毒感染的先天免疫防御。肠道病毒71型，可通过病毒3C蛋白酶破坏GSDMD-N的完整性，抑制细胞焦亡实现自身复制[16]。炎性体NLRP9识别轮状病毒后激活细胞焦亡，限制病毒复制，敲除Gsdmd基因将增加对轮状病毒易感性[17]。黑素瘤缺乏因子2(AIM2)识别人腺病毒后，可激活GSDMD介导的人单核细胞衍生树突状细胞焦亡[18]。干扰素诱导蛋白16(IFI16)识别人类免疫缺陷病毒(HIV)反转录产物，引起CD4+T淋巴细胞焦亡，严重破坏免疫系统，Caspase-1抑制剂使CD4+T淋巴细胞在体外感染HIV时仍保存活力[19-20]。目前GSDMD在CD4+T淋巴细胞耗竭过程中的作用有待证实，有望为治疗HIV免疫缺陷提供新靶点。

5 小结与展望

细胞焦亡通路中，炎性Caspase底物GSDMD的发现，改变了以往对细胞焦亡的认知，GSDMD-N作为细胞焦亡直接执行者，通过在膜上成孔实现细胞焦亡特征性的肿胀破裂。目前，GSDMD精细结构及GSDMD-N在膜上形成孔道的结构和生化机制仍需更多基础研究，比如，巨噬细胞在超活化与细胞焦亡间切换是否与GSDMD孔道形成程度不同有关等，对调节先天免疫功能有重要意义。在宿主防御细菌感染的研究中，尽管GSDMD表现出直接杀死细菌的特性，目前仍需进一步研究确定其应用的广泛性和对控制体内感染的意义。而GSDMD在参与病原感染防御时，可能介导严重、广泛的内皮细胞焦亡，导致炎症反应失调，引起急性肺损伤等。对此，Rathkey J K等已研究发现，化学小分子Necrosulfonamide通过结合GSDMD的C191位抑制其寡聚化，从而阻断细胞焦亡[21]。若能通过控制GSDMD，进一步协调好细胞焦亡程度，可为治疗败血症等炎症性疾病提供更多启示。