Пироптоз - Pyroptosis
Пироптоз - это сильно воспалительная форма литической запрограммированной гибели клеток, которая чаще всего возникает при инфицировании внутриклеточными патогенами и, вероятно, является частью антимикробного ответа. Этот процесс способствует быстрому избавлению от различных бактериальных, вирусных, грибковых и протозойных инфекций, удаляя ниши внутриклеточной репликации и усиливая защитные реакции хозяина. Пироптоз может происходить в иммунных клетках, а также, как сообщается, в кератиноцитах и некоторых эпителиальных клетках .
Процесс инициируется образованием большого супрамолекулярного комплекса, называемого инфламмасомой (также известного как пироптосома), при внутриклеточных сигналах опасности. Инфламмасома активирует другой набор каспаз по сравнению с апоптозом , например каспазу-1/4/5 у людей и каспазу-11 у мышей. Эти каспазы способствуют созреванию и активации нескольких провоспалительных цитокинов и порообразующих белков газдерминов . Формирование пор вызывает разрыв клеточной мембраны и высвобождение цитокинов, а также молекул различных молекулярных структур, связанных с повреждениями (DAMP) , таких как HMGB-1, АТФ и ДНК, из клетки. Эти молекулы привлекают больше иммунных клеток и еще больше поддерживают воспалительный каскад в ткани.
Однако при патогенных хронических заболеваниях воспалительная реакция не устраняет первичный стимул. Возникает хроническая форма воспаления, которая в конечном итоге способствует повреждению тканей. Пироптоз связан с заболеваниями, включая рак , нейродегенерацию и сердечно-сосудистую систему. Некоторые примеры включают в себя пироптоз сальмонелла -infected макрофагов и бесплоден ВИЧ -infected Т - хелперные клетки .
Открытие
Этот тип изначально провоспалительной запрограммированной смерти клеток был назван пироптозом в 2001 году доктором Брэдом Т. Куксоном, доцентом микробиологии и лабораторной медицины Вашингтонского университета . Греческое слово «пиро» означает огонь, а птоз означает падение. Соединение термин пироптоз можно понимать как «огненно падения», который описывает разрывать провоспалительных химических сигналов от умирающих клетки. Пироптоз имеет отличную морфологию и механизм по сравнению с другими формами гибели клеток. Было высказано предположение, что микробная инфекция была основным эволюционным давлением для этого пути. В 2013 году был обнаружен зависимый от каспазы-11 неканонический путь, предполагающий, что липополисахариды (ЛПС) могут запускать пироптоз и последующие воспалительные реакции независимо от толл-подобного рецептора 4 (TLR4) . В 2015 году гасдермин D (GSDMD) был идентифицирован как эффектор пироптоза, который проникает через клеточную мембрану. В 2021 году структура поры GSDMD с высоким разрешением была решена с помощью криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ).
Морфологические характеристики
Пироптоз как форма запрограммированной гибели клеток имеет много морфологических отличий от апоптоза . И пироптоз, и апоптоз подвергаются конденсации хроматина , но во время апоптоза ядро распадается на несколько хроматиновых тел; при пироптозе ядро остается неповрежденным. В клетке, которая подвергается пироптозу, на плазматической мембране образуются поры газдермина, что приводит к притоку воды и лизису клеток.
С точки зрения механизма, пироптоз активируется воспалительными каспазами, включая каспазу-1/4/5 у людей и каспазу-11 у мышей. Проапоптотические каспазы, включая каспазу-6/7/8/9, не требуются для пироптоза. Активация каспазы-3 может происходить как при апоптозе, так и при пироптозе.
Хотя и пироптоз, и некроптоз вызываются образованием пор мембраны, пироптоз лучше контролируется. Клетки, которые претерпевают пироптоз, демонстрируют образование пузырей на мембранах и образование выступов, известных как пироптозные тельца, процесс, не обнаруженный при некроптозе. Кроме того, некроптоз работает независимо от каспаз. Предполагается, что и пироптоз, и некроптоз могут действовать как системы защиты от патогенов, когда пути апоптоза заблокированы.
| Характеристики | Апоптоз | Пироптоз | Некроптоз | |
|---|---|---|---|---|
| Морфология | Лизис клеток | НЕТ | ДА | ДА |
| Набухание клеток | НЕТ | ДА | ДА | |
| Формирование пор | НЕТ | ДА | ДА | |
| Мембранные пузыри | ДА | ДА | НЕТ | |
| Фрагментация ДНК | ДА | ДА | ДА | |
| Ядро целое | НЕТ | ДА | НЕТ | |
| Механизм | Активация каспазы-1 | НЕТ | ДА | НЕТ |
| Активация каспазы-3 | ДА | ДА | НЕТ | |
| Активация GSDMD | НЕТ | ДА | НЕТ | |
| Исход | Воспаление | НЕТ | ДА | ДА |
| Запрограммированная гибель клеток | ДА | ДА | НЕТ |
Механизм
Врожденная иммунная система , используя зародышевую линию , закодированное распознавание образов рецепторов (PRRs), может распознавать широкий спектр патоген-ассоциированные молекулярных паттернов (PAMPs) и ущерб, связанные молекулярных паттерны (DAMPS) при микробной инфекции. Классические примеры PRR включают толл-подобные рецепторы (TLR) и NOD-подобные рецепторы (NLR). Распознавание PAMP и DAMP запускает образование мультибелковых комплексных инфламмасом , которые затем активируют каспазы, чтобы инициировать пироптоз. Путь воспаления может быть каноническим или неканоническим, причем первый использует воспаления, активирующие каспазу-1, а второй - другие каспазы.
Канонический путь инфламмасом
В каноническом пути инфламмасомы PAMP и DAMP распознаются некоторыми эндогенными PRR. Например, белки NLR NLRC4 могут распознавать флагеллин и компоненты системы секреции типа III . NLRP3 активируется клеточными событиями, вызванными различными стимулами PAMP и DAMP. Некоторые белки, не относящиеся к NLR, такие как отсутствующие в меланоме 2 (AIM2) и пирин, также могут активироваться и образовывать инфламмасомы. Кроме того, PRR, не образующие инфламмасомы, такие как TLR, NOD1 и NOD2, также играют важную роль в пироптозе. Эти рецепторы повышают экспрессию воспалительных цитокинов, таких как IFN α / β, фактор некроза опухоли (TNF) , IL-6 и IL-12, через пути передачи сигналов NF-κB и MAPK. Кроме того, про-ИЛ-1β и про-ИЛ-18 высвобождаются для процессинга цистеин-опосредованной каспазой-1.
Канонические инфламмасомы в основном содержат три компонента: сенсорный белок (PRR), адаптер ( ASC ) и эффектор ( каспаза-1 ). Как правило, белки NLR, образующие инфламмасому, имеют схожую структуру, несколько доменов с богатыми лейцином повторами (LRR), центральный домен связывания и олигомеризации нуклеотидов (NBD) и N-концевой домен пирина (PYD). NLRP3, например, рекрутирует адаптерный белок ASC посредством взаимодействия PYD-PYD. И прокаспаза-1, и ASC содержат домен активации и рекрутирования каспазы (CARD), и это гомотипическое взаимодействие CARD-CARD делает возможным автокаталитическое расщепление и повторную сборку прокаспазы-1 с образованием активной каспазы-1. Альтернативно, NLRC4 может напрямую рекрутировать прокаспазу-1, поскольку он имеет домен CARD вместо домена пирина.
Активированная каспаза-1 отвечает за расщепление про-ИЛ-1β и про-ИЛ-18. Эти цитокины после обработки будут в своей биологически активной форме, готовой к высвобождению из клеток-хозяев. Кроме того, каспаза-1 также расщепляет цитозольный газдермин D (GSDMD) . GSDMD может быть расщеплен для создания N-концевого домена (GSDMD-N) и C-концевого домена (GSDMD-C). GSDMD-N может олигомеризоваться и образовывать трансмембранные поры с внутренним диаметром 10-14 нм. Поры позволяют секреции IL-1β и IL-18 и различного цитозольного содержимого во внеклеточное пространство, а также нарушают клеточный ионный градиент. Возникающее в результате повышение осмотического давления вызывает приток воды с последующим набуханием и разрывом клеток. Примечательно, что GSDMD-N автоматически ингибируется С-концевым доменом GSDMD перед расщеплением для предотвращения лизиса клеток в нормальных условиях. Кроме того, GSDMD-N может внедряться во внутреннюю мембрану только с определенным липидным составом, что ограничивает его повреждение соседним клеткам.
Неканонический путь инфламмасомы
Неканонический путь инфламмасомы инициируется связыванием липополисахарида (ЛПС) грамотрицательных бактерий непосредственно с каспазой-4/5 у людей и каспазой-11 у мышей . Связывание ЛПС с этими каспазами способствует их олигомеризации и активации. Эти каспазы могут расщеплять GSDMD с высвобождением GSDMD-N и запускать пироптоз. Кроме того, приток ионов калия при пермеабилизации мембраны запускает активацию NLRP3, которая затем приводит к образованию инфламмасомы NLRP3 и активации каспазы-1. Эти процессы облегчают расщепление GSDMD и способствуют созреванию и высвобождению провоспалительных цитокинов.
Каспазо-3-зависимый пироптозный путь
Недавно был предложен альтернативный путь, связывающий апоптоз и пироптоз. Каспаза-3, каспаза-палач при апоптозе, может расщеплять газдермин E (GSDME) с образованием N-концевого фрагмента и C-концевого фрагмента аналогично расщеплению GSDMD. Когда апоптотические клетки не поглощаются макрофагами, экспрессия GSDME усиливается с помощью p53. Затем GSDME активируется каспазой-3 с образованием пор на клеточной мембране. Также было обнаружено, что GSDME может проникать в митохондриальные мембраны с высвобождением цитохрома c , который дополнительно активирует каспазу-3 и ускоряет расщепление GSDME. Этот цикл положительной обратной связи гарантирует, что запрограммированная гибель клеток будет продолжена.
Клиническая значимость
Пироптоз действует как защитный механизм от инфекции, вызывая патологическое воспаление. Образование инфламмасом и активность каспазы-1 определяют баланс между разрешением патогена и заболеванием.
В здоровой клетке активация каспазы-1 помогает бороться с инфекцией, вызванной сальмонеллами и шигеллами, путем гибели клеток для ограничения роста патогенов. Когда воспринимается сигнал «опасности», покоящиеся клетки активируются, чтобы претерпеть пироптоз и продуцировать воспалительные цитокины IL-1β и IL-18. IL-18 будет стимулировать продукцию IFNγ и инициировать развитие ответа T H 1. ( Ответы T H 1 имеют тенденцию к высвобождению цитокинов, которые направляют немедленное удаление патогена.) Активация клеток приводит к увеличению уровня цитокинов, что усиливает последствия воспаления, а это, в свою очередь, способствует развитию адаптивных ответ по мере прогрессирования инфекции. Окончательное разрешение удалит патогены.
Напротив, стойкое воспаление будет производить чрезмерное количество иммунных клеток, что пагубно. Если циклы амплификации продолжаются, будут иметь место нарушение обмена веществ , аутовоспалительные заболевания и повреждение печени, связанное с хроническим воспалением.
Рак
Пироптоз как запрограммированная смерть клеток, связанная с воспалением, имеет широкое значение при различных типах рака. Принципиально пироптоз может убивать раковые клетки и подавлять развитие опухоли в присутствии эндогенных DAMP. В некоторых случаях GSDMD может использоваться как прогностический маркер рака. Однако длительное образование воспалительных телец может способствовать формированию микросреды, способствующей росту опухоли. Понимание механизмов пироптоза и определение молекул, связанных с пироптозом, может быть полезно при лечении различных видов рака.
В клетках рака желудка присутствие GSDMD может ингибировать комплексы циклин A2 / CDK2 , что приводит к остановке клеточного цикла и, таким образом, ингибирует развитие опухоли. Кроме того, клеточная концентрация GSDME увеличивается, когда раковые клетки желудка обрабатываются определенными химиотерапевтическими препаратами. Затем GSDME активирует каспазу-3 и запускает пироптотическую гибель клеток.
Рак шейки матки может быть вызван инфекцией вируса папилломы человека (ВПЧ). Белок AIM2 может распознавать вирусную ДНК в цитоплазме и формировать инфламмасому AIM2, которая затем запускается каспазой-1-зависимым каноническим путем пироптоза. Инфекция ВПЧ вызывает активацию белка сиртуина 1 , который нарушает фактор транскрипции AIM2, RelB . Нокдаун сиртуина 1 активирует экспрессию AIM2 и запускает пироптоз.
Нарушение обмена веществ
Уровень экспрессии инфламмасомы NLRP3 и каспазы-1 имеет прямое отношение к тяжести нескольких метаболических синдромов, таких как ожирение и сахарный диабет II типа (СД2) . Это связано с тем, что на последующий уровень продукции IL-1β и IL-18, цитокинов, нарушающих секрецию инсулина , влияет активность каспазы-1. Затем уровень поглощения глюкозы снижается, и это состояние известно как инсулинорезистентность . Состояние дополнительно усугубляется индуцированным IL-1β разрушением β-клеток поджелудочной железы .
Криопиринопатии
Мутация в гене, кодирующем инфламмасомы, приводит к группе аутовоспалительных заболеваний, называемых криопиринопатиями. В эту группу входят синдром Макла-Уэллса , холодовой аутовоспалительный синдром и хронический детский неврологический кожный и суставной синдром , все проявляющие симптомы внезапной лихорадки и локализованного воспаления. Мутировавшим геном в таких случаях является NLRP3, препятствующий активации инфламмасомы и приводящий к избыточной продукции IL-1β. Этот эффект известен как «усиление функции».
ВИЧ и СПИД
Недавние исследования демонстрируют, что пироптоз, опосредованный каспазой-1, вызывает истощение Т-лимфоцитов CD4 и воспаление , вызванное ВИЧ , - два характерных события, которые способствуют прогрессированию ВИЧ-инфекции до СПИДа . Хотя пироптоз способствует способности хозяина быстро ограничивать и устранять инфекцию, удаляя ниши внутриклеточной репликации и усиливая защитные реакции за счет высвобождения провоспалительных цитокинов и эндогенных сигналов опасности, при патогенном воспалении, например, вызванном ВИЧ-1, этот полезный ответ действительно не искоренить первичный раздражитель. Фактически, это, по-видимому, создает патогенный порочный круг, в котором умирающие CD4 Т-клетки испускают воспалительные сигналы, которые привлекают больше клеток в инфицированные лимфоидные ткани, чтобы умереть и вызвать хроническое воспаление и повреждение тканей. Разорвать этот патогенный круг можно с помощью безопасных и эффективных ингибиторов каспазы-1. Эти агенты могут составить новую захватывающую терапию «против СПИДа» для ВИЧ-инфицированных субъектов, в которой лечение нацелено на хозяина, а не на вирус. Следует отметить, что мыши с дефицитом каспазы-1 развиваются нормально, утверждая, что ингибирование этого белка будет иметь благоприятные, а не вредные терапевтические эффекты у пациентов с ВИЧ. Недавно пироптоз и нисходящие пути были определены в качестве многообещающих целей для лечения тяжелых заболеваний, связанных с коронавирусом 2019 года.