引用本文
缪立颖,王欣,韩洋洋. 泛凋亡在肝脏疾病中的作用及其机制研究进展[J]. 中华肝脏病杂志,2024,32(11)：1047-1052.
DOI:10.3760/cma.j.cn501113-20240122-00048
通信作者：韩洋洋，新疆医科大学基础医学院生物学教研室，新疆地方病分子生物学重点实验室
正文
肝病是全球常见的疾病，每年有200万人死于肝脏疾病，占总死亡人数的4%，是目前全球第十一大死因 ［ 1 ］ 。肝脏是机体重要代谢与解毒器官，细胞死亡是肝脏疾病的主要驱动力，可导致肝损伤、肝纤维化和肝细胞癌 ［ 2 ］ 。细胞死亡分为非受控的意外性细胞死亡（accidental cell death，ACD）和可受控的调节性细胞死亡（regulated cell death，RCD）。其中，生理状态下RCD也被称为程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD），许多疾病的发生与PCD途径异常有关。细胞焦亡、细胞凋亡和坏死性凋亡是传统的3种PCD途径。一直以来，三种途径被认为是独立的，但随着研究不断深入，越来越多证据表明这3种途径之间存在广泛的相互作用 ［ 3 , 4 , 5 ］ 。2019年Malireddi等 ［ 6 ］ 首次提出泛凋亡（PANoptosis）的概念：一种PCD新形式，以细胞焦亡、细胞凋亡和坏死性凋亡为特征，但不能单独用细胞焦亡、细胞凋亡或坏死性凋亡来解释。泛凋亡在许多肝脏疾病中发挥作用，包括肝癌、代谢相关脂肪性肝病、肝衰竭和暴发性肝炎等。因此，了解泛凋亡在肝脏疾病中的作用对于探索新的治疗策略至关重要，能够为阻断不受控制的炎症提供潜在的治疗靶点，并为临床中肝脏疾病的预防和治疗提供新的思路。
不同PCD与泛凋亡
1. 细胞焦亡：细胞焦亡是一种程序性、裂解性和炎症性细胞死亡途径，发生在炎症小体组装和激活之后，主要由Gasdermin D（Gasdermin domain containin-D，GSDMD）介导，依赖于含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase） ［ 7 ］ 。细胞焦亡有2种主要的途径和一些其他替代途径。2种主要的途径包括经典途径和非经典途径。经典途径中，病原体相关分子模式（pathogen-associated molecular pattern，PAMP）和损伤相关分子模式（damage associated molecular pattern，DAMP）接受细胞内信号分子刺激，并与半胱天冬酶-1前体（Pro-caspase-1）和凋亡相关斑点样蛋白［apoptosis-associated speck-like protein containing a caspase recruitment domain（CARD），ASC］组装形成炎症小体和活化的Caspase-1，将GSDMD切割，释放出有膜打孔活性的N端结构域 ［ 8 ］ 。在非经典途径中，胞质脂多糖激活Caspase-4/5和Caspase-11，通过切割GSDMD引起细胞焦亡 ［ 9 ］ 。除了经典、非经典途径外还有一些替代途径，如Caspase-3、Caspase-8介导的途径和颗粒酶B介导的途径 ［ 10 ］ 。
2．细胞凋亡：细胞凋亡是一种复杂且受到严格调控的细胞死亡途径，以形成凋亡小体为特征，主要通过激活半胱天冬酶引起细胞死亡 ［ 11 ］ 。细胞凋亡主要有2种途径：死亡受体途径和线粒体通路 ［ 12 ］ 。死亡受体属于肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）受体（TNFR）超家族，含有死亡结构域（death domain，DD） ［ 13 ］ 。当细胞表面暴露的死亡受体与其各自的TNF家族配体结合后被刺激，发生三聚体化。死亡受体细胞质部分的同型DD相互作用募集Fas相关死亡域蛋白（Fas-associated via death domain，FADD），形成死亡诱导信号复合物（death-inducing signaling complex，DISC），半胱天冬酶-8前体（Pro-caspase-8）在DISC上二聚并获得催化活性，切割受体相互作用丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶1（receptor-interacting protein kinase 1，RIPK1），触发细胞凋亡 ［ 14 ］ 。DNA损伤、代谢应激和氧化还原失衡等非受体刺激能够触发主要由促凋亡的Bcl2家族成员（BAX、BAK、Bid等）介导的线粒体通路 ［ 15 ］ 。
3．坏死性凋亡：坏死性凋亡依赖于受体相互作用的RIPK3和混合谱系激酶结构域样蛋白（mixed lineage kinase domain-like，MLKL）。其形态特征与坏死相似，是细胞凋亡信号通路的一部分 ［ 16 ］ 。在细胞凋亡的死亡受体途径中，死亡受体与配体结合促进DISC形成，通过激活Caspase-8切割RIPK1；而在坏死性凋亡中，Caspase-8被抑制 ［ 17 ］ 。在TNFR1的刺激下，RIPK1激活RIPK3，热休克蛋白（heat shock proteins，HSP）90和其辅伴侣细胞分裂周期37（cell division cycle 37，CDC37）协助，组装成一个包含RIPK1和RIPK3的坏死体，进一步磷酸化MLKL，使其在细胞膜成孔，诱导坏死性凋亡。此外，模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR）、Toll样受体（Toll-like receptors，TLRs）和Z-DNA结合蛋白1（Z-DNA binding protein 1，ZBP1）能够激活RIPK3，引起细胞坏死性凋亡 ［ 18 ］ 。
4. 细胞焦亡、细胞凋亡和坏死性凋亡的相互作用：长期以来，人们认为细胞死亡途径是平行的，并不互相干扰。然而，许多研究发现细胞焦亡、细胞凋亡和坏死性凋亡之间存在复杂的动态分子网络，三者引起的细胞死亡过程并不是完全独立的 ［ 19 , 20 ］ 。一项关于大鼠脓毒症相关脑病的研究表明，细胞凋亡抑制剂（Z-DEVD-FMK）抑制细胞焦亡，激活坏死性凋亡；细胞焦亡抑制剂（INF39）抑制细胞焦亡和细胞凋亡，激活坏死性凋亡；而坏死性凋亡抑制剂（Nec-1）激活细胞凋亡和细胞焦亡 ［ 21 ］ 。表明细胞焦亡、细胞凋亡、坏死性凋亡之间存在广泛的串扰。相关遗传学、分子和生物化学研究也证明，多种病原体和先天免疫引起的细胞焦亡、细胞凋亡和坏死性凋亡的分子成分之间存在相互作用网络 ［ 22 , 23 ］ 。
泛凋亡体的组成成分
细胞焦亡、细胞凋亡、坏死性凋亡之间的机制存在广泛的重叠和交互，这3种PCD途径的分子相互作用形成的蛋白质复合物被定义为泛凋亡体（PANoptosome） ［ 3 ］ 。泛凋亡体由3部分组成：（1）PAMPs 和 DAMPs 的感受器蛋白，例如ZBP1、NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3）；（2）转接蛋白，如ASC 和FADD；（3）效应器蛋白，包括催化效应蛋白和凋亡效应蛋白，如Caspase-1、Caspase-8、RIPK1和RIPK3 ［ 19 ］ 。
ZBP1是一种核酸先天免疫传感器，参与调节宿主防御反应，是泛凋亡体的关键成分。ZBP1包括两个Zα结构域、一个RHIM结构域和一个C末端区域。RHIM结构域可与RIPK3相互作用，调节炎症、诱导细胞死亡。两个Zα结构域分别是Zα1和Zα2，可以感应Z型核酸。在白色念珠菌或烟曲霉感染中，Zα2结构域激活炎症小体，诱导泛凋亡 ［ 24 ］ 。Zα2在ZBP1参与的泛凋亡起关键作用，在甲型流感病毒（influenza A virus，IAV）感染的小鼠中首次观察到ZBP1-PANoptosome，ZBP1通过识别IAV基因组在复制过程中产生的含有Zα2结构域的ds-RNA，与RIPK3 相互作用，触发细胞坏死性凋亡 ［ 25 ］ 。Zα2结构域还参与诱导NLRP3炎症小体活化和细胞焦亡 ［ 26 ］ 。免疫共沉淀和免疫荧光结果表明，ZBP1、RIPK3、RIPK1、FADD、Caspase-8、ASC和Caspase-1之间存在共定位和相互作用，揭示了ZBP1-PANoptosome的组成成分 ［ 27 ］ 。此外，Caspase-6通过与RIPK3结合促进RIPK1和ZBP1之间的相互作用 ［ 24 ］ 。
半胱天冬酶家族在泛凋亡中起重要作用。Caspase-8是细胞凋亡的关键调控因子，是不同PCD之间最早发现的桥梁之一，是坏死性凋亡、细胞凋亡和细胞焦亡的重要调节因子 ［ 28 ］ 。研究发现，即使Caspase-8依赖性凋亡途径和MLKL依赖性坏死性凋亡途径被抑制，缺失酶活性的Caspase-8（Casp8C362A/C362A）也能介导细胞焦亡，表明Caspase-8可以改变细胞的死亡模式 ［ 29 ］ 。耶尔森菌感染抑制转化生长因子-β激活激酶1（TGF-β-activated kinase 1，TAK1）时，Caspase-8可以直接裂解GSDMD，引起细胞焦亡 ［ 30 ］ 。
除了ZBP1-PANoptosome和Caspase-8，最新的研究还揭示了其他PANoptosome，如AIM2-PANoptosome、RIPK1-PANoptosome和NLRP3等 ［ 31 ］ 。
泛凋亡与肝脏疾病
1.泛凋亡与肝癌：肝细胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）和肝内胆管癌是原发性肝癌的两种主要形式，其中HCC占70% ［ 32 ］ 。在癌症中，抵抗细胞死亡是一个核心标志，PCD在癌症的化学治疗、免疫治疗和放射治疗中起重要作用。
近年来，许多研究发现，泛凋亡相关基因与肝癌肿瘤微环境、免疫治疗、预后和免疫激活有关，部分基因的较高表达会降低化学治疗疗效、影响细胞对药物的敏感性、导致预后不良，敲低或沉默相关基因可以抑制大多数HCC细胞的生长 ［ 23 ， 33 , 34 , 35 ］ 。研究显示，TAK1、CDK1、SHARPIN、SCAF11等基因能够增强患者对晚期原发性肝癌的一线药物索拉非尼的耐药性 ［ 36 , 37 , 38 , 39 ］ 。其中，TAK1、CDK1、SHARPIN还能够降低免疫检查点抑制剂的疗效。除了这些危险因素外，泛凋亡也有保护因子，如CHMP4A、PSMA3、PSMD53、TP2BP1，HCC的泛凋亡风险指数越高其表达越低 ［ 38 ］ 。泛凋亡的相关基因还能够通过调节嗜酸性粒细胞水平影响肿瘤微环境中的肿瘤血管生成、炎症和免疫抑制，从而影响肿瘤的生长和扩散 ［ 39 ］ 。
TNF-α和γ干扰素（interferon-gamma，IFN-γ）可以通过激活GSDME、Caspase-8、Caspase-3、Caspase-7和MLKL来诱导泛凋亡 ［ 40 , 41 ］ 。在HCC小鼠模型中发现TNF-α可以增强IFN-γ诱导的B7-H1（B7 homologue 1）在HCC细胞中的适应性免疫抵抗 ［ 42 ］ 。因此我们推测，TNF-α和IFN-γ能够诱导HCC发生泛凋亡，并且可能会在免疫功能正常的动物体内激活抗癌免疫。
2. 泛凋亡与非酒精性脂肪性肝病（non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD）/代谢相关脂肪性肝病（metabolic-associated fatty liver disease，MAFLD）：NAFLD是目前全球最常见的慢性肝病。因其与代谢障碍密切相关，故于2020年被更名为“代谢相关脂肪性肝病（metabolic-associated fatty liver disease，MAFLD）” ［ 43 ］ 。MAFLD常发展为非酒精性脂肪性肝炎（nonalcoholic steatohepatitis，NASH），最终导致肝纤维化和肝癌。
MAFLD中存在多种PCD形式，包括细胞凋亡、细胞焦亡、坏死性凋亡、铁死亡等，许多泛凋亡的关键分子参与MAFLD的进展。Tong等 ［ 44 ］ 研究发现，铁死亡抑制剂LPT1能够抑制细胞凋亡、坏死性凋亡、细胞焦亡，抑制Bax、MLKL、GSDMD等PCD标志物的表达，表明LPT1抑制体外MAFLD模型中的泛凋亡，提示泛凋亡与MAFLD相关。进一步抑制泛凋亡相关的Caspase-6和Caspase-8发现，肝细胞的泛凋亡被阻断，减轻了脂肪变性和脂肪性肝炎。以上研究表明，NAFLD/MAFLD中存在3种以上的细胞死亡方式，提示泛凋亡是NAFLD/MAFLD中细胞死亡的重要形式，但其具体的分子机制还有待进一步探究。
脂质代谢失调能够引起巨噬细胞的炎症激活，是NAFLD进展为NASH的主要原因 ［ 45 ］ 。巨噬细胞中存在不同类型PCD信号的相互作用。一项脂肪性肝炎小鼠模型研究表明，在NASH中，细胞凋亡的关键分子Caspase-8与RIPK3相互抑制 ［ 46 ］ 。Tao等 ［ 47 ］ 研究发现，在NASH中，棕榈酸诱导激活RIPK1。RIPK1是RIPK3的上游调节分子，通过调控Caspase-8和RIPK3影响细胞凋亡和坏死性凋亡。同时研究结果显示，在实验和临床NASH中，RIPK1主要在肝巨噬细胞被磷酸化和激活 ［ 47 ］ 。因此，细胞焦亡、细胞凋亡和坏死性凋亡参与了NASH中脂肪酸诱导的巨噬细胞炎症激活，表明泛凋亡是NASH进展过程的重要环节。
3．泛凋亡与肝衰竭：（1）泛凋亡与急性肝衰竭（acute liver failure，ALF）：ALF是一种潜在的可逆性急性肝功能损害。研究表明，NLRP3炎症小体的异常激活与各种类型的ALF有关，同时能够激活不同形式的PCD ［ 48 ］ 。NLRP3通常在炎症或感染时被激活，形成NLRP3炎症小体，是固有免疫的关键组成部分。IAV感染作为一种呼吸道疾病，已被证明可以引起肝脏损伤 ［ 49 ］ 。炎症小体的激活在机体抵抗IAV感染中起重要作用。Zheng和Kanneganti ［ 50 ］ 研究结果表明，ZBP1-NLRP3炎症小体是IAV感染中泛凋亡的关键部分。因此，我们推测泛凋亡可能在加重IAV感染诱发的ALF中发挥独特作用。
（2）泛凋亡与慢加急性肝衰竭（acute-on-chronic liver failure，ACLF）：ACLF是肝衰竭的一种类型，能够促进大多数肝硬化患者的临床状况急性恶化，是一种全身性炎症性疾病 ［ 51 ］ 。研究表明，在大鼠ACLF模型中，细胞焦亡相关蛋白NLRP3、激活的Caspase-1和GSDMD表达上调，并且存在细胞凋亡相关蛋白Caspase-3、Caspase-7和Caspase-8的裂解，同时促凋亡蛋白BAX的表达明显增加，ACLF显著上调了磷酸化-MLKL的表达 ［ 52 ］ 。这些结果表明，细胞焦亡、细胞凋亡和坏死性凋亡关键蛋白的上调在ACLF肝组织中同时存在，进一步表明ACLF中存在泛凋亡。
4. 泛凋亡与暴发性肝炎（fulminant hepatitis，FH）：FH是一种临床综合征，病死率高，其特征是肝细胞大量坏死并伴有肝性脑病。FH有多种病因，其中病毒性肝炎是常见病因之一。小鼠肝炎病毒（mouse hepatitis virus，MHV）是一种单链RNA病毒，可以引起多种疾病，是作为FH的有效模型。Zheng等 ［ 53 ］ 在小鼠感染MHV模型中发现，MHV可以引起泛凋亡，并特异性诱导NLRP3炎症小体的组装，引发炎症反应。炎症小体是人类肝炎病毒感染后慢性炎症的重要组成部分，NLRP3炎症小体参与的信号传导通路能够诱导FH的发生与发展 ［ 54 , 55 ］ 。MHV主要通过Caspase-8和RIPK3诱导细胞死亡，而激活GSDMD可以抑制Caspase-8和RIPK3介导的细胞死亡，说明GSDMD在MHV诱导释放细胞因子的过程中起重要作用 ［ 53 ］ 。
总结与展望
细胞凋亡、细胞焦亡、坏死性凋亡之间交互、串扰的发现推动了泛凋亡的研究进展。这种新的细胞死亡形式与许多疾病有关，包括癌症、微生物感染、代谢性疾病等。随着相关研究的不断深入，越来越多的研究结果显示，泛凋亡在许多肝脏疾病中发挥了重要的作用。在肝癌中，泛凋亡影响肿瘤微环境继而调控肿瘤的生长和扩散，通过免疫激活影响化学治疗疗效、药物的敏感性及其预后。而在MAFLD、肝衰竭、FH也能发现不同泛凋亡体的参与。探究泛凋亡与多种肝脏疾病的关系不仅能进一步了解各种肝脏疾病的成因，也能为肝脏疾病的诊断和治疗拓展思路。然而，关于泛凋亡在不同肝脏疾病中的具体作用机制目前尚不明确，需要进一步的研究。
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