Пироптоз

Пироптоз - это сильно воспалительная форма запрограммированной гибели клеток, которая чаще всего возникает при заражении внутриклеточными патогенами и, вероятно, будет составлять часть антимикробного ответа. Этот процесс способствует быстрому избавлению от различных бактериальных, вирусных, грибковых и протозойных инфекций за счет удаления ниш внутриклеточной репликации и усиления защитных реакций 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 известный 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 порообразующего белка газдерминов. Образование пор вызывает разрыв клеточной мембраны и высвобождение цитокинов, а также различных молекул, связанных с повреждениями (DAMP), таких как HMGB-1, АТФ и ДНК, из клетки. Эти молекулы привлекают больше иммунных клеток и дополнительно 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 заболевания сердечно-сосудистой системы. Некоторые примеры пироптоза включают зараженные сальмонеллой макрофаги и абортивно ВИЧ -инфицированные Т-хелперы.

• 1 Discovery
• 2 Морфологические характеристики
• 3 Механизм
  • 3.1 Канонический путь инфламмасомы
  • 3.2 Неканонический путь инфламмасомы
  • 3.3 Каспазо-3-зависимый путь пироптоза
• 4 Клиническая значимость
  • 4.1 Рак
  • 4.2 Нарушение обмена веществ
  • 4.3 Криопиринопатии
  • 4.4 ВИЧ и СПИД
• 5 Ссылки

Этот тип изначально провоспалительной запрограммированной гибели клеток был назван в 2001 году доктором Брэдом Т. пироптозом. Куксон, доцент кафедры микробиологии и лабораторной медицины в Вашингтонском университете. Греческое слово «пиро» означает огонь, а птоз - падение. Термин пироптоза соединения можно понимать как «огненное падение», которое описывает выброс провоспалительных химических сигналов от умирающей 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 открыт зависимый от каспазы-11 неканонический путь, предполагающий, что липополисахариды (LPS) могут запускать пироптоз и последующие воспалительные реакции независимо от толл-подобного рецептора 4 (TLR4). В 2015 году газдермин D был идентифицирован как эффектор пироптоза, который проникает через клеточную мембрану.

Пироптоз, как форма запрограммированная гибель клеток, имеет много морфологических отличий по сравнению с апоптозом. И пироптоз, и апоптоз подвергаются конденсации хроматина, но во время апоптоза ядро ​​распадается на множество хроматиновых тел; при пироптозе ядро ​​остается неповрежденным. В клетке, которая претерпевает пироптоз, 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 каспаза-11 у мышей. Проапоптотические каспазы, включая каспазы-6/7/8/9, не требуются для пироптоза. Активация каспазы-3 может иметь место как при апоптозе, так и при пироптозе.

Хотя и пироптоз, и некроптоз запускаются образованием пор мембраны, пироптоз является более контролируемым. Клетки, которые претерпевают пироптоз, демонстрируют мембрану пузырей и производят выпячивания, известные как пироптозные тела, процесс, не обнаруживаемый при некроптозе. Кроме того, некроптоз действует независимо от каспаз. Предполагается, что как пироптоз, так и некроптоз могут действовать как системы защиты от патогенов, когда пути апоптоза заблокированы.

врожденная иммунная система с использованием распознавания кодированных образов зародышевой линии рецепторы (PRR), могут распознавать широкий спектр молекулярных паттернов, связанных с патогенами (PAMP), и молекулярных паттернов, связанных с повреждениями (DAMP), при микробной инфекции. Классические примеры PRR включают toll-подобных рецепторов (TLR) и NOD-подобных рецепторов (NLR). Распознавание PAMP и DAMP запускает образование мультибелкового комплекса инфламмасом, который затем активирует каспазы, чтобы инициировать пироптоз. Путь воспаления инфламмасом может быть каноническим или неканоническим, при этом первый использует инфламмасомы, активирующие каспазу-1, а второй - другие каспазы.

Канонический путь инфламмасомы

В каноническом пути инфламмасомы, PAMP и DAMPs распознаются некоторыми эндогенными PRR. Например, белки NLR NLRC4 могут распознавать компоненты флагеллина и системы секреции типа III. NLRP3 активируется клеточными событиями, вызванными различными PAMP. и стимулы DAMPs. 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 NF-κB. и MAPK-сигнальные пути. 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 нуклеотид-связывающий и олигомеризационный домен (NBD) и N-концевой пириновый домен (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 увеличение 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 человека и каспаза-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 способом, подобным 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.

Пироптоз действует как защитный механизм против 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, за счет 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 ответов T H 1. (Ответы T H 1 имеют тенденцию к высвобождению цитокинов, которые направляют немедленное удаление патогена.) Активация клеток приводит к повышению уровня цитокинов, что усиливает последствия воспаления, а это, в свою очередь, способствует к развитию адаптивного ответа 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, связанные с хроническим воспалением.

Рак

Пироптоз как запрограммированная клетка, связанная с воспалением смерть, имеет большое значение при различных типах рака. Принципиально пироптоз может убивать раковые клетки и подавлять развитие опухоли в присутствии эндогенных DAMP. В некоторых случаях GSDMD можно использовать в качестве прогностического маркера рака. Однако длительное образование воспалительных телец может способствовать формированию микросреды, способствующей росту опухоли. Понимание механизмов пироптоза и идентификация 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 клеточному циклу остановить и, таким образом, подавить развитие опухоли. Кроме того, клеточная концентрация GSDME увеличивается, когда раковые клетки желудка обрабатываются определенными химиотерапевтическими препаратами. Затем GSDME активирует каспазу-3 и вызывает 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 сиртуин 1, который нарушает фактор транскрипции AIM2, RelB. Нокдаун сиртуина 1 усиливает 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. Уровень поглощения глюкозы затем снижается, и 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 они демонстрируют 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 опосредованный каспазой-1 пироптоз вызывает истощение Т-лимфоцитов CD4 и воспаление 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 посредством высвобождения провоспалительных цитокинов и эндогенных сигналов опасности, при патогенном воспалении, например, вызванном ВИЧ-1, этот полезный ответ действительно не искоренить первичный раздражитель. Фактически, похоже, что это создает патогенный порочный круг, в котором умирающие CD4 Т-клетки высвобождают 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 и интересную 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 положительный, а не вредный терапевтический эффект у пациентов с ВИЧ.