环境污染物诱导细胞焦亡途径及其调控因素研究进展

吴方庆 廖家万，2 高红英 胡海洋 李紫婷 郭列萍 于童 罗友根，2，3

(1井冈山大学神经退行性疾病与衰老研究中心，江西 吉安 343009；2吉安市医药生物技术重点实验室；3江苏医药职业学院基础医学部)

环境污染物是指人类在生产和生活活动中产生的各种化学物质，也有自然释放的物质，进入环境直接或间接危害人和动物健康，也称环境毒物。按污染物来源分大气、水系和土壤污染物，按污染物性质分重金属污染物、持久性有机污染物(POPs)、放射性核素污染等。随着经济发展，各类污染物排放入环境中破坏生态平衡，危害生命健康，因此环境污染物诱导的细胞损伤备受关注。细胞焦亡(Pyroptosis)是一种细胞程序性死亡方式，其发生进程较凋亡更快，常伴有炎症反应，在机体的固有免疫和适应性免疫中均发挥重要作用。目前关于环境污染物与细胞焦亡的研究尚且不多，其诱导细胞焦亡的机制还不够详尽，现就环境污染物诱导焦亡的研究进展作一概述。

1 环境污染物在细胞损伤中的作用

大量流行病学和体内外实验研究表明，环境污染物可以通过诱导细胞衰老、凋亡、自噬等方式对细胞产生损伤。细胞衰老是指随着时间的推移，细胞的增殖能力和生理功能逐渐发生衰退的变化过程，其最终结果将导致细胞死亡。研究发现，POPs长期暴露可造成机体全基因组和亚端粒区DNA甲基化水平改变进而影响亚端粒区RNA的表达，而后者的上调反过来进一步影响端粒长度，并通过核转录因子(NF)-κB通路诱导慢性全身性炎症，加速细胞衰老，促进神经退行性疾病的发生〔1〕。细胞凋亡是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序性的死亡，无炎症反应。重金属指比重大于5(密度>5 g/cm3)的金属，如汞、镉、镍、铅和铬等。有研究发现，镉、铅、铜、铬四种重金属污染物暴露均可影响斑马鱼成鱼和胚胎凋亡相关基因的表达，发生氧化应激，引起细胞凋亡〔2〕。自噬是一种广泛存在于真核细胞中的生命现象，也是与细胞凋亡并列的非Caspase依赖的程序性细胞死亡方式。铅胁迫通过哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)/失调51样激酶(ULK)1信号通路诱导日本三角涡虫细胞发生自噬〔3〕；镉暴露可诱导小鼠脾脏及人B淋巴细胞系Ramos细胞中自噬生物标识蛋白LC3-Ⅱ增加，而P62的蛋白水平下降，说明镉可以促进细胞自噬〔4〕。

2 焦亡在细胞损伤中的作用

细胞焦亡是近年来发现的一种新的更迅速地促炎性、程序性的细胞死亡方式。细胞发生焦亡时会出现透亮大泡样结构、细胞核浓缩、染色质 DNA断裂〔5～7〕。焦亡途径分为依赖于半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase)-1的经典炎症小体途径〔6，8〕、依赖于Caspase-4/5/11的非经典炎症小体途径〔6，7〕及Caspase-3/Gasdermin家族蛋白(GSDM)E途径〔9〕。焦亡过程中最后剪切GSDMD或GSDME，形成氨基端产物(GSDMD-N/GSDME-N)，膜上出现15 nm左右的孔道〔10〕，小分子的细胞内容物从孔道渗出，胞内渗透压上升导致细胞不断胀大，最终破裂死亡。

细胞焦亡与炎症反应、肾脏疾病、动脉粥样硬化、神经系统疾病、感染性疾病及肿瘤的发生密切相关。人肾小管上皮细胞经过缺氧复氧处理后，焦亡相关蛋白和mRNA水平显著升高，提示焦亡在肾缺血再灌注损伤中起着重要作用。在动脉粥样硬化发生早期，血管内皮细胞焦亡可促进单核细胞被招募进内膜；在晚期动脉粥样硬化病变中，焦亡参与了巨噬细胞的死亡过程。脑卒中时，核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白(NLRP)1和NLRP3过度激活，诱导了神经元和神经胶质细胞焦亡〔11〕。上述研究表明，焦亡在细胞损伤中扮演了重要角色。

3 环境污染物诱导的细胞焦亡途径及其调控

3.1Caspase-1/GSDMD经典炎症小体途径 多种环境污染物可通过经典炎症小体途径诱导细胞焦亡。炎症小体是一种蛋白复合体，是细胞感染或应激时激活的分子平台，能感受病原体相关分子模式(PAMPs)和危险信号相关分子模式(DAMPs)的入侵。它由受体、接头蛋白和效应蛋白三部分组成，受体蛋白包括NLR家族(NLRP1，NLRP3/NLRP6，NLRC4及NAIP)和Pyhin家族(AIM2/IFI16)；接头蛋白又称衔接蛋白，即具有Caspase招募结构域的凋亡相关点状蛋白(ASC)；效应蛋白为Caspase家族中的Caspase-1〔8〕。炎症小体可切割活化Caspase-1，cleaved Caspase-1切割GSDMD，又可剪切修饰细胞炎性因子IL-1β、IL-18的前体，使其成熟并发挥促炎作用，对机体造成损伤。研究发现，环境污染物产生多种影响NLRP3炎症小体活性的因素，通过经典炎症小体途径诱导细胞发生焦亡。

3.1.1硫氧还蛋白相互作用蛋白(TXNIP)对NLRP3炎症小体活性的调控 TXNIP是细胞增殖和细胞凋亡等过程中起重要作用的调节因子，一般情况下，TXNIP和硫氧还蛋白(TRX)结合在一起。当TXNIP游离出来就能与NLRP3结合，促进NLRP3炎症小体活化及下游白细胞介素(IL)-1β的成熟与释放〔12〕。研究报道，镉暴露可诱导细胞焦亡〔13〕。Cao等〔14〕在小鼠腹腔注射CdCl2(2 mg/kg)，12 h后取出肝脏分析发现镉暴露不仅引起肝脏氧化应激而且上调TXNIP的mRNA和蛋白表达，说明镉激活了TXNIP-NLRP3炎症小体通路，从而诱导细胞焦亡。

3.1.2线粒体活性氧(ROS)对NLRP3炎症小体活性的调控 线粒体是细胞进行生物氧化和能量转换的主要场所，细胞生命活动所需能量的80%是由线粒体提供的，线粒体与细胞内氧自由基(如ROS)的生成、细胞死亡及许多人类疾病的发生有密切关系。烹调油烟(COFs)衍生的PM2.5是指燃料燃烧烟气与食用油及食物高温加热后产生的混合气体，最新研究发现COFs来源的PM2.5可明显影响人脐静脉血管内皮细胞的存活率，增加线粒体ROS水平，并上调NLRP3炎症小体信号通路中涉及的蛋白质和mRNA水平，细胞发生焦亡〔15〕。Chen等〔13〕使用线粒体ROS(mtROS)清除剂预处理则会抑制镉暴露诱导的NLRP3炎症小体激活和细胞焦亡，表明由mtROS激活的NLRP3炎症小体也介导了镉暴露诱导的血管内皮细胞焦亡。多氯联苯(PCBs)是一种持久性有机污染物，其高活性代谢产物PCB29-pQ的毒性作用主要与ROS生成增多有关。Dong等〔16〕证实PCB29-pQ刺激Hela细胞产生过量的ROS，NLRP3炎症小体被激活，活化的Caspase-1剪切GSDMD，GSDMD-N端形成膜孔促进细胞内炎性物质的释放，最终引起细胞焦亡。

3.1.3内质网(ER)应激(ERS)对NLRP3炎症小体活性的调控 ER是细胞内重要的细胞器，负责蛋白质的折叠、修饰和组装，调控脂质合成，维持细胞内钙离子稳态。ER功能紊乱将导致未折叠蛋白或错误折叠蛋白在ER中发生堆积，引发ERS。为了减轻ERS，细胞启动未折叠蛋白反应(UPR)，UPR下游有3条通路：蛋白激酶R样ER激酶(PERK)通路、肌醇依赖性激酶(IRE)1α通路和活化转录因子(ATF)6通路。在小鼠肝细胞中，ERS可激活NLRP3炎症小体诱导细胞焦亡〔17～19〕。张玫等〔20〕将大气细颗粒物亚慢性暴露于大鼠肺，发现肺ERS相关基因表达上调，引起ERS。ERS激活UPR下游的PERK、IRE1α通路诱导产生TXNIP，从而活化NLRP3；ERS还可以通过激活NF-κB通路在转录水平上促进活化NLRP3炎症小体〔21，22〕，其ATF-6活化激活NLRP3也会诱导细胞焦亡〔23〕。

3.1.4自噬对NLRP3炎症小体活性的调控 苯并(α)芘又称BaP或3，4-BaP，是一种多环芳烃类物质，主要在食品烹饪过程中，由脂肪和淀粉等有机物高温裂解产生，具有极强的细胞毒性和免疫毒性。BaP不仅引起细胞自噬，也可诱导细胞焦亡，而且二者是有关联的。Yuan等〔24〕研究发现，与BaP组相比，自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤(MA)显著抑制乳酸脱氢酶(LDH)释放和焦亡相关蛋白(Caspase-1，IL-1β，IL-18)的表达，而焦亡抑制剂Ac-YVAD-CM显著减少BaP诱导的自噬性细胞死亡。总之，BaP同时诱导自噬和细胞焦亡，导致损伤，其中两者在HL-7702肝细胞中共存并相互促进。Li等〔25〕还发现BaP是通过阻断HL-7702肝细胞中的PI3K/Akt信号传导途径诱导细胞自噬和焦亡的。

丙烯醛是一种活泼的α，β不饱和醛，是一种常见的环境污染物。它主要来源于香烟烟气和厨房油烟这两个方面，与中国妇女肺癌和心血管疾病有关。Jiang等〔26〕在人脐静脉内皮细胞中观察到丙烯醛处理后NLRP3炎症小体活化，细胞发生自噬和焦亡。通过小干扰RNA敲低NLRP3显著抑制丙烯醛诱导的细胞焦亡，Jiang等〔26〕还发现使用自噬抑制剂3-MA加剧了NLRP3炎症小体的活化和细胞焦亡，而自噬诱导剂雷帕霉素(Rapa)抑制NLRP3炎症小体的活化和细胞焦亡。上述研究表明自噬可以调控NLRP3炎症小体的活化。

3.2Caspase-4/5/11/GSDMD非经典炎症小体途径 鼠中的Caspase-11与人体中的Caspase-4/5同源，在胞内可与脂多糖(LPS)结合活化，切割GSDMD诱导细胞焦亡，这一过程不涉及炎症小体，但生成的GSDMD-N又可促进炎症小体的形成和Caspase-1的活化〔6〕，Simard等〔23〕用银纳米颗粒处理人单核细胞激活Caspase-4，从而活化了NLRP3炎症小体。因此，Caspase-4/5/11/GSDMD非经典炎症小体途径诱导的细胞焦亡中也存在着Caspase-1/GSDMD经典炎症小体途径，二者共同促进细胞焦亡的发生。

苯是一种石油化工原料，其产量和生产技术水平是一个国家石油化工发展水平的标志之一。苯的挥发性大，短期接触损伤神经系统，长期接触会引发再生障碍性贫血，急性髓性白血病和淋巴瘤等血液疾病。Yi等〔27〕通过对小鼠口服强饲苯溶液(150 mg/kg稀释在玉米油中)收集血液和骨髓瘤细胞研究发现，白细胞数和骨髓细胞数显著下降，更重要的是，Caspase-4和Caspase-12的表达显著增加，并且凋亡检测试验未检测出凋亡细胞。Caspase-4活化后可能通过非经典炎症小体诱导细胞焦亡，但环境污染物能否通过Caspase-4/5/11/GSDMD非经典炎症小体途径诱导细胞焦亡尚未被证实。

3.3Caspase-3/GSDME途径 GSDME和GSDMD同属Gasdermin蛋白家族，具有相似的结构域，其活化片段GSDME-N也有成孔作用，Han等〔28〕研究发现化疗药物或肿瘤坏死因子(TNF)-α通过激活Caspase-3切割GSDME，诱导肿瘤细胞焦亡。许多研究〔28～30〕发现环境污染物可活化Caspase-3，但环境污染物能否通过Caspase-3/GSDME途径诱导细胞焦亡？目前仍无资料证明。

综上，环境污染物可通过TXNIP、细胞自噬、线粒体ROS、ERS等多种因素调控NLRP3炎症小体的活性，经Caspase-1/GSDMD经典炎症小体途径诱导细胞焦亡。然而，环境污染物能否经Caspase-4/5/11/GSDMD和Caspase-3/GSDME非经典途径诱导细胞焦亡，见图1。目前尚无数据证明。不同于细胞凋亡，焦亡是伴炎性的细胞程序性死亡方式，细胞释放致炎因子募集炎症细胞，引起组织更严重的损伤，这提示在环境污染物导致的机体损伤中，如何抑制细胞焦亡成为治疗环境污染物急性暴露的新思路。我国制造业、纺织业、重工业等污染的大量排放，在生态环境中蓄积，早已对人类健康造成了严重威胁，全面深刻研究环境污染物诱导的损伤机制，尽快开发相应的药物和针对性的治疗措施，是亟待解决的问题。

图1 环境污染物诱导NLRP3炎症小体介导的细胞焦亡