国自然热点 | 一文了解细胞焦亡及其研究思

细胞焦亡(Pyroptosis)又称细胞炎性坏死，是由gasdermin蛋白介导的细胞程序性坏死，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。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。细胞焦亡由一些炎症小体激活的胱天蛋白酶1/4/5/11触发。细胞焦亡会导致细胞肿胀、质膜裂解、染色质断裂和细胞内促炎物质的释放。

Pyroptosis与细胞凋亡具有一些相似的特征，如DNA损伤、核浓缩和半胱天冬酶独立性。不过Pyroptosis具有一种非常特殊的DNA损伤形式，不同于其凋亡对应物。DNA损伤取决于凋亡细胞中胱天蛋白酶激活的DNA酶（CAD）的激活和CAD抑制剂（ICAD）的抑制，而Pyroptosis过程中不需要CAD。其次，炎症诱导的孔隙形成导致细胞焦亡、细胞肿胀和渗透溶解。与Pyroptosis细胞相比，经历凋亡的细胞保持完整的膜。第三，胱天蛋白酶激活触发细胞凋亡和细胞焦亡，而胱天蛋白酶3/6/7/8仅发生在细胞凋亡中。Pyroptosis只能通过炎性激活胱天蛋白酶来诱导，包括胱天蛋白酶1、胱天蛋白酶11和胱天蛋白酶3等。

Pyroposis由经典炎症小体途径、非经典炎症小体通路和一种新发现的途径发生（图1）。

A.这些炎症小体募集并结合ASC，导致ASC聚焦，募集原胱天冬酶-1并激活胱天冬酶1。Caspase-1参与前IL-18/1β的切割和成熟以及gasdermin D（GSDMD）的切割。GSDMD的N-末端片段（GSDMD-NT）释放并形成质膜中的孔，导致IL-18/1β的分泌和水内流，产生细胞肿胀和渗透溶解。GSDMD的C末端片段（GSDMD-CT）停留在细胞质内。

B.在非经典炎症小体途径中，来源于细菌的脂多糖（LPS）识别并激活胱天蛋白酶4/5/11，通过切割GSDMD诱导pyroptosis。

C.发现了一种新的pyroptosis途径，即某些刺激导致胱天蛋白酶-3的激活，胱天蛋白酶3是一种被认为是细胞凋亡底物的分子。突变的胱天蛋白酶-3诱导gasdermin E（GSDME）的裂解，包括GSDME的C末端片段（GSDME-CT）和GSDME的N末端片段（GSME-NT）^[1]。

图1：细胞焦亡的分子机制

针对细胞焦亡研究集中在影响细胞焦亡炎症小体和促进细胞焦亡的分子上。这些分子包括一些非编码RNA和其他不同种类的分子，有望成为有效治疗不同癌症的靶点。此外也有研究人员利用ChIP-Seq筛选与细胞焦亡相关的炎症转录因子，结合RNA-seq研究细胞焦亡引发的炎症的具体通路。下面通过两个案例来看一下细胞焦亡机制研究的具体思路吧。

作者通过生物信息学分析和糖尿病视网膜病变模型的验证，本研究旨在识别与糖尿病视网膜病变相关的潜在细胞焦亡疾病相关基因，并预测与其相互作用的miRNA和lncRNA。随后，构建了竞争性内源性RNA（ceRNA）调控网络，以探索其潜在的分子机制。通过GEO数据库和R软件的数据分析以及qRT-PCR和验证集的验证，成功识别出与糖尿病视网膜病变发生相关的潜在焦病相关基因，并构建了与这些基因相关的关键ceRNA调控网络。这些发现可能有助于改进对糖尿病视网膜病变中焦亡的分子机制的理解。

• 研究技术：lncRNA、miRNA、mRNA，构建ceRNA调控网络

• 解决问题：

本研究首次通过生物信息学分析鉴定了糖尿病视网膜病变的13个差异表达的细胞焦亡相关基因，并通过蛋白相互作用（PPI）分析和富集分析确定了其中8个最关键的基因。研究验证了这些基因在模拟糖尿病视网膜病变的体外模型中的表达变化，并发现高糖诱导了GSDMD和GSDME蛋白水平的增加，进一步揭示了细胞焦亡在糖尿病视网膜病变中的作用机制。此外，研究还预测了与这些基因相关的20个miRNA和22个lncRNA，并构建了ceRNA调控网络。这些发现为研究糖尿病视网膜病变中焦亡的分子机制提供了新的视角。

图2：糖尿病患者样本和正常样本中细胞焦亡相关基因的表达差异

作者研究探讨了在非酒精性脂肪性肝炎（NASH）中，Annexin A2（ANXA2）在肝细胞焦亡和肝纤维化中的作用以及潜在的分子机制。通过生物信息学分析，发现Anxa2/ANXA2在NASH小鼠和患者肝组织中的表达显著上调，并且与肝细胞焦亡和纤维化的发展呈正相关。研究发现，p-STAT3促进Anxa2的转录水平表达，从而激活Caspase-1介导的肝细胞焦亡和纤维化。特异性抑制Caspase-1可以显著减弱p-STAT3/ANXA2对细胞焦亡和纤维化的促进作用。

• 研究技术：RNA-seq、ChIP-seq、 WB、 qPCR、 病理实验等

• 解决问题：

作者从体内和体外的证据都显示了ANXA2在NASH小鼠的肝细胞焦亡坏死和纤维化中起着重要作用。p-STAT3/ANXA2轴的炎症作用首次得到了创新性的证明。作者确认了p-STAT3/ANXA2通过激活NLRP3/caspase-1炎症小体来在NASH小鼠中诱导肝细胞焦亡坏死。通过特异性抑制p-STAT3的激活，可以改善NASH小鼠中的肝细胞焦亡坏死和纤维化。

  图3：p-STAT3在转录水平上促进Anxa2的表达

细胞焦亡的研究思路大致为，先通过得到两种不同材料，其中一种为发生细胞焦亡材料，一种为健康材料，然后通过全转录组测序得到细胞焦亡相关的基因，然后再从中找是否与细胞焦亡相关的转录因子，再通过构建小鼠模型或者细胞系通过ChIP找到转录因子作用于哪些基因从而影响细胞焦亡的分子机制。

此篇文章中使用的全转录组、ChIP-seq、RNA-seq等多种测序技术爱基百客也能提供，欢迎各位老师咨询。此外，我们也针对细胞焦亡方向提供了一个可行性方案，感兴趣的老师可以联系销售获取~

项目咨询

• 参考文献：

[1] Fang Y, Tian S, Pan Y, Li W, Wang Q, Tang Y, Yu T, Wu X, Shi Y, Ma P, Shu Y. Pyroptosis: A new frontier in cancer. Biomed Pharmacother. 2020 Jan;121:109595. doi: 10.1016/j.biopha.2019.109595. Epub 2019 Nov 9. PMID: 31710896.

[2]Wang N, Ding L, Liu D, Zhang Q, Zheng G, Xia X, Xiong S. Molecular investigation of candidate genes for pyroptosis-induced inflammation in diabetic retinopathy. Front Endocrinol (Lausanne). 2022 Jul 25;13:918605. doi: 10.3389/fendo.2022.918605. PMID: 35957838; PMCID: PMC9357938.

[3]Feng Y, Li W, Wang Z, Zhang R, Li Y, Zang L, Wang P, Li Z, Dong Y. The p-STAT3/ANXA2 axis promotes caspase-1-mediated hepatocyte pyroptosis in non-alcoholic steatohepatitis. J Transl Med. 2022 Nov 2;20(1):497. doi: 10.1186/s12967-022-03692-1. PMID: 36324154; PMCID: PMC9632054.

• 项目文章集锦

• ChIP专题

• DAP-seq专题
  

• ATAC-seq专题

• 单细胞测序专题

• CUT&Tag专题

• 甲基化专题
  

  RIP-seq专题