Pyroptos
Pyroptos är en mycket inflammatorisk form av lytiskt programmerad celldöd som inträffar oftast vid infektion med intracellulära patogener och som sannolikt kommer att utgöra en del av det antimikrobiella svaret. Denna process främjar snabb eliminering av olika bakteriella, virala, svamp- och protozoinfektioner genom att ta bort intracellulära replikationsnischer och förbättra värdens defensiva svar. Pyroptos kan ske i immunceller och rapporteras även förekomma i keratinocyter och vissa epitelceller .
Processen initieras av bildandet av ett stort supramolekylärt komplex som kallas inflammasomen (även känd som en pyroptosom) vid intracellulära farosignaler. Inflammasomen aktiverar en annan uppsättning kaspaser jämfört med apoptos , till exempel kaspas-1/4/5 hos människor och kaspas-11 hos möss. Dessa kaspaser bidrar till mognad och aktivering av flera proinflammatoriska cytokiner och porbildande proteingasderminer . Bildning av porer orsakar cellmembranruptur och frisättning av cytokiner, såväl som olika skadeassocierade molekylära mönster (DAMP) molekyler såsom HMGB-1, ATP och DNA, ut ur cellen. Dessa molekyler rekryterar fler immunceller och vidmakthåller ytterligare den inflammatoriska kaskaden i vävnaden.
Men vid patogena kroniska sjukdomar utrotar det inflammatoriska svaret inte den primära stimulansen. En kronisk form av inflammation uppstår som i slutändan bidrar till vävnadsskador. Pyroptos är förknippat med sjukdomar inklusive cancer , neurodegeneration och de i det kardiovaskulära systemet. Några exempel på pyroptos inkluderar Salmonella -infekterade makrofager och abortively HIV -infekterade T-hjälparceller .
Upptäckt
Denna typ av i sig pro-inflammatorisk programmerad celldöd kallades pyroptos 2001 av Dr. Brad T. Cookson, en docent i mikrobiologi och laboratoriemedicin vid University of Washington . Det grekiska pyro syftar på eld och ptosis betyder att falla. Den sammansatta termen pyroptos kan förstås som "brinnande fall", som beskriver sprängningen av pro-inflammatoriska kemiska signaler från den döende cellen. Pyroptos har en distinkt morfologi och mekanism jämfört med andra former av celldöd. Det har föreslagits att mikrobiell infektion var det huvudsakliga evolutionära trycket för denna väg. År 2013 upptäcktes kaspas-11-beroende icke-kanonisk väg, vilket tyder på att lipopolysackarider (LPS) kan utlösa pyroptos och efterföljande inflammatoriska svar oberoende av tollliknande receptor 4 (TLR4) . 2015 identifierades gasdermin D (GSDMD) som effektorn av pyroptos som permeabiliserar cellmembranet. År 2021 löstes den högupplösta strukturen av GSDMD-poren genom kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM).
Morfologiska egenskaper
Pyroptos, som en form av programmerad celldöd, har många morfologiska skillnader jämfört med apoptos . Både pyroptos och apoptos genomgår kromatinkondensation , men under apoptos bryts kärnan i flera kromatinkroppar; vid pyroptos förblir kärnan intakt. I en cell som genomgår pyroptos bildas gasderminporer på plasmamembranet, vilket resulterar i vatteninflöde och cellys.
När det gäller mekanismen aktiveras pyroptos av inflammatoriska kaspaser, inklusive kaspas-1/4/5 hos människor och kaspas-11 hos möss. Pro-apoptotiska kaspaser, inklusive kaspas-6/7/8/9, krävs inte för pyroptos. Kaspas-3- aktivering kan ske vid både apoptos och pyroptos.
Även om både pyroptos och nekroptos utlöses av membranporbildning, är pyroptos mer kontrollerad. Celler som genomgår pyroptos uppvisar membranblåsningar och producerar utsprång som kallas pyroptotiska kroppar, en process som inte finns i nekroptos. Dessutom fungerar nekroptos på ett kaspasoberoende sätt. Det föreslås att både pyroptos och nekroptos kan fungera som försvarssystem mot patogener när apoptotiska vägar blockeras.
| Egenskaper | Apoptos | Pyroptos | Nekroptos | |
|---|---|---|---|---|
| Morfologi | Celllys | NEJ | JA | JA |
| Cellsvullnad | NEJ | JA | JA | |
| Porbildning | NEJ | JA | JA | |
| Membranblåsning | JA | JA | NEJ | |
| DNA-fragmentering | JA | JA | JA | |
| Kärnan intakt | NEJ | JA | NEJ | |
| Mekanism | Caspase-1 aktivering | NEJ | JA | NEJ |
| Caspase-3 aktivering | JA | JA | NEJ | |
| GSDMD-aktivering | NEJ | JA | NEJ | |
| Resultat | Inflammation | NEJ | JA | JA |
| Programmerad celldöd | JA | JA | JA |
Mekanism
Det medfödda immunsystemet , genom att använda könslinjekodade mönsterigenkänningsreceptorer (PRR), kan känna igen ett brett spektrum av patogenassocierade molekylära mönster (PAMPs) och skadeassocierade molekylära mönster (DAMPs) vid mikrobinfektion. Klassiska exempel på PRR inkluderar tullliknande receptorer (TLR) och NOD-liknande receptorer ( NLR). Igenkänning av PAMPs och DAMPs utlöser bildandet av multiproteinkomplexinflammasomer, som sedan aktiverar kaspaser för att initiera pyroptos. Inflammasomvägen kan vara kanonisk eller icke-kanonisk, där den förra använder kaspas-1-aktiverande inflammasomer och den senare använder andra kaspaser.
Den kanoniska inflammasomvägen
I den kanoniska inflammasomvägen känns PAMP och DAMP igen av vissa endogena PRR. Till exempel kan NLR-proteiner NLRC4 känna igen flagellin- och typ III-sekretionssystemkomponenter . NLRP3 aktiveras av cellulära händelser inducerade av olika PAMPs och DAMPs stimuli. Vissa icke-NLR-proteiner som frånvarande i melanom 2 (AIM2) och pyrin kan också aktiveras och bilda inflammasomer. Också icke-inflammasombildande PRR som TLR, NOD1 och NOD2 spelar också viktiga roller i pyroptos. Dessa receptorer uppreglerar uttrycket av inflammatoriska cytokiner såsom IFN α/β, tumörnekrosfaktor (TNF) , IL-6 och IL-12 genom NF-KB och MAPK-signalvägar. Dessutom frisätts pro-IL-1β och pro-IL-18 för att bearbetas av cystein-medierat kaspas-1.
Kanoniska inflammasomer innehåller oftast tre komponenter: ett sensorprotein (PRR), en adapter ( ASC ) och en effektor ( caspas-1 ). I allmänhet delar inflammasombildande NLR-proteiner en liknande struktur, flera leucinrika upprepningsdomäner (LRR), en central nukleotidbindande och oligomeriseringsdomän (NBD) och en N-terminal pyrindomän (PYD). NLRP3, till exempel, rekryterar ASC-adapterprotein via PYD-PYD-interaktion. Både pro-kaspas-1 och ASC innehåller en kaspasaktiverings- och rekryteringsdomän (CARD), och denna homotypiska CARD-CARD-interaktion möjliggör autokatalytisk klyvning och återmontering av procaspas-1 för att bilda aktivt kaspas-1. Alternativt kan NLRC4 direkt rekrytera pro-caspase-1, eftersom den har en CARD-domän istället för en pyrindomän.
Aktiverat kaspas-1 är ansvarigt för klyvning av pro-IL-1β och pro-IL-18. Dessa cytokiner, när de väl bearbetats, kommer att vara i sin biologiskt aktiva form redo att frigöras från värdcellerna. Dessutom klyver kaspas-1 också den cytosoliska gasdermin D (GSDMD) . GSDMD kan klyvas för att producera en N-terminal domän (GSDMD-N) och en C-terminal domän (GSDMD-C). GSDMD-N kan oligomerisera och bilda transmembranporer som har en innerdiameter på 10-14 nm. Porerna tillåter utsöndring av IL-1β och IL-18 och olika cytosolinnehåll till extracellulärt utrymme, och de stör också den cellulära jongradienten. Den resulterande ökningen av det osmotiska trycket orsakar ett inflöde av vatten följt av cellsvällning och sprängning. Noterbart är att GSDMD-N autoinhiberas av GSDMD C-terminala domän före klyvning för att förhindra cellys under normala förhållanden. Dessutom kan GSDMD-N bara infoga sig själv i det inre membranet med specifika lipidkompositioner, vilket begränsar dess skada på närliggande celler.
Den icke-kanoniska inflammasomvägen
Den icke-kanoniska inflammasomvägen initieras genom bindning av lipopolysackarid (LPS) av gramnegativa bakterier direkt till kaspas-4/5 hos människor och kaspas-11 hos muriner . Bindning av LPS till dessa kaspaser främjar deras oligomerisering och aktivering. Dessa kaspaser kan klyva GSDMD för att frigöra GSDMD-N och utlösa pyroptos. Dessutom utlöser ett inflöde av kaliumjoner vid membranpermeabilisering aktivering av NLRP3, vilket sedan leder till bildning av NLRP3-inflammasom och aktivering av kaspas-1. Dessa processer underlättar klyvningen av GSDMD och främjar mognad och frisättning av pro-inflammatoriska cytokiner.
Caspase-3-beroende pyroptotisk väg
En alternativ väg som förbinder apoptos och pyroptos har nyligen föreslagits. Caspase-3, en bödelkaspas i apoptos, kan klyva gasdermin E (GSDME) för att producera ett N-terminalt fragment och ett C-terminalt fragment på ett sätt som liknar GSDMD-klyvning. När apoptotiska celler inte avlägsnas av makrofager, uppregleras GSDME-uttrycket sedan av p53. GSDME aktiveras sedan av kaspas-3 för att bilda porer på cellmembranet. Det har också visat sig att GSDME kan permeabilisera mitokondriella membran för att frigöra cytokrom c , vilket ytterligare aktiverar kaspas-3 och accelererar GSDME-klyvning. Denna positiva återkopplingsslinga säkerställer att programmerad celldöd förs vidare.
Klinisk relevans
Pyroptos fungerar som en försvarsmekanism mot infektion genom att inducera patologisk inflammation. Bildandet av inflammasomer och aktiviteten av kaspas-1 bestämmer balansen mellan patogenupplösning och sjukdom.
I en frisk cell hjälper kaspas-1-aktivering till att bekämpa infektioner orsakade av Salmonella och Shigella genom att introducera celldöd för att begränsa patogentillväxt. När "fara"-signalen avkänns, kommer de vilande cellerna att aktiveras för att genomgå pyroptos och producera inflammatoriska cytokiner IL-1β och IL-18. IL-18 kommer att stimulera IFNy-produktion och initierar utvecklingen av TH 1 -svar. (TH 1 -svar tenderar att frisätta cytokiner som styr ett omedelbart avlägsnande av patogenen.) Cellaktiveringen resulterar i en ökning av cytokinnivåerna, vilket kommer att förstärka konsekvenserna av inflammation och detta i sin tur bidrar till utvecklingen av det adaptiva svar när infektionen fortskrider. Den ultimata lösningen kommer att rensa patogener.
Däremot kommer ihållande inflammation att producera överdrivna immunceller, vilket är skadligt. Om amplifieringscyklerna kvarstår, kommer metabolisk störning, autoinflammatoriska sjukdomar och leverskada i samband med kronisk inflammation att inträffa.
Cerebrovaskulär sjukdom
Nyligen genomförda studier visar att pyroptos spelar en roll i patofysiologin för intracerebral blödning, och mildrande pyroptos kan vara en interventionsstrategi för att hämma det inflammatoriska svaret efter intracerebral blödning.
Cancer
Pyroptos, som en inflammationsassocierad programmerad celldöd, har breda konsekvenser för olika cancertyper. I princip kan pyroptos döda cancerceller och hämma tumörutveckling i närvaro av endogena DAMPs. I vissa fall kan GSDMD användas som en prognostisk markör för cancer. Men långvarig produktion av inflammatoriska kroppar kan underlätta bildandet av mikromiljöer som gynnar tumörtillväxt. Att förstå mekanismerna för pyroptos och identifiera pyroptos-associerade molekyler kan vara användbart vid behandling av olika cancerformer.
I magcancerceller kan närvaron av GSDMD hämma cyklin A2 / CDK2 -komplex, vilket leder till cellcykelstopp och därmed hämma tumörutveckling. Dessutom ökar cellkoncentrationen av GSDME när magcancerceller behandlas med vissa kemoterapiläkemedel. GSDME aktiverar sedan kaspas-3 och utlöser pyroptotisk celldöd.
Livmoderhalscancer kan orsakas av infektion med humant papillomvirus (HPV). AIM2-protein kan känna igen viralt DNA i cytoplasman och bilda AIM2-inflammasom, som sedan utlöses av en kaspas-1-beroende kanonisk pyroptosväg. HPV-infektion orsakar uppreglering av sirtuin 1 -protein, vilket stör transkriptionsfaktorn för AIM2, RelB . Knockdown av sirtuin 1 uppreglerar AIM2-uttryck och utlöser pyroptos.
Metabolisk störning
Uttrycksnivån av NLRP3-inflammasom och kaspas-1 har en direkt relation till svårighetsgraden av flera metabola syndrom, såsom fetma och typ II diabetes mellitus (T2DM) . Detta beror på att den efterföljande produktionsnivån av IL-1β och IL-18, cytokiner som försämrar utsöndringen av insulin , påverkas av aktiviteten av kaspas-1. Glukosupptagsnivån minskar sedan, och tillståndet kallas insulinresistens . Tillståndet accelereras ytterligare av den IL-1β-inducerade förstörelsen av pankreas-β-celler .
Kryopyrinopatier
En mutation i genkodningen av inflammasomer leder till en grupp autoinflammatoriska sjukdomar som kallas kryopyrinopatier. Denna grupp inkluderar Muckle–Wells syndrom , kallt autoinflammatoriskt syndrom och kroniskt infantilt neurologiskt kutant och artikulärt syndrom, som alla visar symtom på plötslig feber och lokal inflammation. Den muterade genen i sådana fall är NLRP3, vilket hindrar aktiveringen av inflammasom och resulterar i en överdriven produktion av IL-1β. Denna effekt är känd som "gain-of-function".
HIV och AIDS
Nyligen genomförda studier visar att kaspas-1-medierad pyroptos driver utarmning av CD4 T-celler och inflammation av HIV , två signaturhändelser som driver HIV-sjukdomens progression till AIDS . Även om pyroptos bidrar till värdens förmåga att snabbt begränsa och rensa infektion genom att ta bort intracellulära replikationsnischer och förstärka defensiva svar genom frisättning av proinflammatoriska cytokiner och endogena farosignaler, vid patogen inflammation, som den som framkallas av HIV-1, gör detta fördelaktiga svar inte utrota den primära stimulansen. Det verkar faktiskt skapa en patogen ond cirkel där döende CD4 T-celler släpper ut inflammatoriska signaler som lockar fler celler in i de infekterade lymfoida vävnaderna för att dö och producera kronisk inflammation och vävnadsskada. Det kan vara möjligt att bryta denna patogena cykel med säkra och effektiva kaspas-1-hämmare. Dessa medel skulle kunna bilda en ny och spännande "anti-AIDS"-terapi för HIV-infekterade försökspersoner där behandlingen riktar sig mot värden istället för viruset. Notera att möss med brist på Caspase-1 utvecklas normalt, med argumentet att hämning av detta protein skulle ge fördelaktiga snarare än skadliga terapeutiska effekter hos HIV-patienter. Nyligen identifierades pyroptos och nedströmsvägar som lovande mål för behandling av allvarliga COVID-19-associerade sjukdomar.