Pyroptóza je typ programované nekrotické buněčné smrti , při které je v důsledku aktivace kaspázy 1 narušena integrita plazmatické membrány a obsah buňky se rychle uvolňuje ven. Charakteristickým znakem pyroptózy je aktivní sekrece interleukinů IL-1β a IL-18 buňkou závislá na kaspáze 1 , která vede k zánětu . Pyroptóza slouží jako ochranný mechanismus vrozené imunity , omezuje množení intracelulárních patogenů , nicméně tento typ buněčné smrti není omezen na bakteriální infekce [1] .
Fenomén pyroptózy poprvé popsal Arturo Zichlinski a kolegové v roce 1992, když studovali lytickou formu smrti makrofágů infikovaných Shigella flexneri . Nejprve byl tento typ buněčné smrti mylně považován za apoptózu , protože se ukázalo, že je charakterizován některými rysy, které jsou vlastní apoptóze: fragmentace DNA, jaderná kondenzace a závislost na kaspázách . V poslední době se objevila forma buněčné smrti makrofágů infikovaných Salmonella enterica subsp. enterica ( Typhimurium serovar ); ukázalo se, že je závislý na kaspáze 1 a zcela odlišný od apoptózy. V roce 2001 pro ni byl navržen termín „pyroptóza“ [1] . Řecký kořen „pyro“ znamená „oheň“, což naznačuje zánětlivou povahu této formy smrti, a kořen „ptosis“ („pád“) se používá ve jménech jiných forem buněčné smrti [2] .
Pyroptóza je určena řadou kritérií. Za prvé, pyroptóza je naprogramována zánětlivými kaspázami. Pyroptóza vyžaduje proteolytickou aktivitu kaspáz, nikoli však autoproteolytické zpracování (tj. vzájemné řezání kaspázami, což vede k jejich aktivaci). Ve většině případů pyroptózy jsou kaspázy aktivovány odlišně, to znamená nikoli vzájemným řezáním, ale přímou účastí speciálního komplexu, zánětu obsahujícího doménu CARD . Za druhé, aktivace zánětlivých kaspáz vede k tvorbě pórů v plazmatické membráně a buňka se stává propustnou pro nízkomolekulární barviva , pro která je membrána nepropustná, jako je: 7-aminoaktinomycin D (7-AAD) bromid ethidium (EtBr) a propidium jodid (PI). Tyto póry mají zjevně průměr 1,1–2,4 nm. Při apoptóze naopak zůstává buněčná membrána intaktní a buňka se rozpadá na apoptotická tělíska, která se nebarví 7-AAD nebo PI [2] .
Po porušení celistvosti membrány se do buňky vrhnou ionty a voda, v důsledku čehož buňka nabobtná a podstoupí lýzu a uvolní svůj obsah ven. Po zničení membrány je vnitřní strana plazmatické membrány vystavena extracelulární tekutině, a proto může být obarvena annexinem V , který se váže na fosfatidylserin (PS), fosfolipid nacházející se pouze na vnitřní straně membrány. buněčná membrána. Během apoptózy přemístí flippasa PS do vnější vrstvy membrány, což umožňuje barvení annexinem V. Barvení annexinem V tedy neumožňuje odlišit apoptózu od pyroptózy [2] .
Za třetí, během pyroptózy dochází v buňkách k fragmentaci DNA a analýza TUNEL poskytuje pozitivní výsledek, ale ne tak intenzivní jako během apoptózy. Navíc je slabě vyjádřen „žebříkový efekt“ DNA ( DNA laddering ) při pyroptóze. Stejně jako při apoptóze dochází ke kondenzaci chromatinu , ale jádro zůstává nedotčeno. Během apoptózy je poškození DNA zprostředkováno kaspázou aktivovanou DNázou (CAD), zatímco během pyroptózy zůstává tento enzym vázán na svůj inhibitor ICAD (ačkoli kaspáza 1 může za podmínek in vitro štěpit ICAD). Destrukce DNA však není pro pyroptózu nezbytná a potlačení fragmentace DNA pomocí inhibitorů nukleáz nezabrání buněčné lýze [2] .
Konečně, při neprogramované nekrotické lytické buněčné smrti, poškození DNA aktivuje ADP-ribóza polymerázu (PARP), která spotřebovává NAD + , čímž se snižuje hladina ATP v buňce. Efektorové kaspázy apoptózy štěpí a inaktivují PARP, přičemž udržují hladinu ATP v buňce dostatečnou pro další průběh apoptózy. Nicméně pyroptóza vyvolaná Salmonella typhimurium neinaktivuje PARP, i když in vitro kaspáza 1 může PARP štěpit. Není známo, zda kaspáza 11 může štěpit ICAD nebo PARP in vitro jako kaspáza 1. Makrofágy postrádající PARP úspěšně prošly pyroptózou, takže PARP není pro pyroptózu vyžadována. Bylo ukázáno, že in vitro PARP-1 může působit jako kofaktor jaderného faktoru-KB ( NF-KB ) při regulaci transkripce kaspázy 11 indukované lipopolysacharidem (LPS) . Knockdown shRNA PARP-1 však neměl žádný účinek na transkripci kaspázy 11 indukovanou interferonem-γ (IFN-γ) , takže se nezdá, že by se PARP-1 podílela na pyroptóze zprostředkované kaspázou 11. Pyroptóza se také liší od programované nekrotické buněčná smrt ( nekropóza ); klíčové rozdíly mezi pyroptózou, apoptózou a nekroptózou jsou shrnuty v tabulce níže [2] [3] .
Porovnat parametr | pyroptóza | apoptóza | Nekroptóza |
---|---|---|---|
Zánět | Tady je | Ne | Tady je |
Lytické/nelitické | lytický | nelitické | lytický |
Iniciační kaspázy | Kaspázy 1, 4, 5, 11 | Kaspázy 2, 8, 9, 10 | Ne |
Efektorové kaspázy | Ne | Kaspázy 3, 6, 7 | Ne |
Poškození DNA Efekt schodiště |
Ne |
Tady je |
Ne |
Analýza TUNEL | Pozitivní | Pozitivní | Pozitivní |
Zničení ICAD | Ne | Ano | Ne |
Chromatinová kondenzace | Ano | Ano | Ne |
Integrita jádra | Ano | Ne | Ano |
Tvorba pórů v membráně | Ano | Ne | Ano |
Zničení PARP | Ne | Ano | Ne [4] |
Barvení annexinem V | pozitivní | pozitivní | pozitivní |
Pyroptóza je spouštěna nebezpečnými signály, které jsou rozpoznávány v extra- a intracelulárním prostředí dvěma skupinami receptorů pro rozpoznávání vzorů : Nod-like receptory (NLR) umístěné v cytoplazmě a Toll-like receptory (TLR) umístěné v plazmatické membráně [5] ] . Tyto nebezpečné signály mohou být uvolněny patogenními organismy při poškození tkání [6] . Když se na NLR navážou intracelulární bakteriální, virové nebo nebezpečné signály patřící buňce samotné , začíná sestavení multiproteinového komplexu , inflammasom (z anglického zánět - zánět). Sestavení inflamasomu vede k aktivaci kaspázy 1, která je nezbytná pro tvorbu a uvolňování prozánětlivých cytokinů [7] . Nejlépe prozkoumaný inflammasom, NLRP3 , má tři hlavní typy domén: domény bohaté na leucin [en] (LRR), oligomerizační doménu vázající nukleotid NBD) a N-terminální pyrinovou doménu ( PYD) [8] . Kaspáza 1 a NLRP3 interagují prostřednictvím adaptorového proteinu ASC . ASC obsahuje doménu aktivace a náboru kaspázy (doména CARD ), která se váže na prokaspázu 1 a usnadňuje její aktivaci prostřednictvím interakce s její doménou CARD [9] . Výsledkem je, že prokaspázy 1 se k sobě přibližují, dimerizují a štěpí se na fragmenty p10 a p20, které jsou schopné zpracovat pro-IL-lp a pro-IL-18. V jiných případech inflammasom aktivuje kaspázu 1 prostřednictvím jiných proteinů obsahujících doménu CARD nebo PYD [10] .
Klíčová role kaspázy 1 v pyroptóze byla prokázána v roce 1995 [11] v experimentech s kaspázou 1 knockout myší : jejich buňky nebyly schopné pyroptózy. V roce 2011 se však ukázalo, že všechny tyto myši také nesly souběžnou mutaci v genu kaspázy 11 . Proto kaspáza 11 ( lidské orthology jsou kaspázy 4 a 5 ) také hraje důležitou roli v pyroptóze a přirozené obraně proti intracelulárním patogenům. Kromě toho může kaspáza 11 zvýšit aktivaci kaspázy 1 u gramnegativních bakteriálních infekcí , takže obě tyto kaspázy mohou iniciovat pyroptózu [1] .
Proteolytická aktivita kaspáz je nezbytná pro průchod pyroptózy a během pyroptózy dochází k destrukci nebo narušení řady proteinů nezbytných pro fungování a přežití buňky. K dnešnímu dni je známo mnoho cílů kaspázy 1. Mezi nimi jsou proteiny cytoskeletu , intracelulární transport, translace a klíčové metabolické dráhy (například glykolytické enzymy aldoláza , trióza fosfát izomeráza , glyceraldehyd-3-fosfát dehydrogenáza , enoláza a pyruvátkináza ). Kromě toho kaspáza 1 také zpracovává další kaspázy: 4, 5 a 7. Ačkoli kaspáza 7 je efektorová kaspáza apoptózy , její aktivace pro pyroptózu je volitelná, což ukazuje na rozdíly v signálních drahách těchto dvou typů buněk smrt [12] .
Časným krokem pyroptózy je tvorba malých pórů propustných pro kationty v buněčné membráně . To narušuje iontovou rovnováhu buňky a vede k jejímu otoku a lýze . Těmito póry vstupují do buňky ionty Ca 2+ , které se účastní mnoha buněčných dějů spojených s kaspázou 1. Lyzi buňky předchází jaderná kondenzace , fragmentace DNA a také sekrece IL-1β a IL- 18. Vápník také podporuje exocytózu lysozomů , které „uzavírají“ mezery v membráně a umožňují uvolňování antimikrobiálních sloučenin. Tyto sloučeniny zabíjejí bakterie v intracelulárním prostředí. Kromě toho jsou fagocytované částice a intracelulární patogeny uvolňovány exocytózou před lýzou buněk [12] .
Při pyroptóze se z buňky uvolňují tzv. molekulární vzory spojené s poškozením (DAMP) , které působí silné prozánětlivé faktory v extracelulárním prostředí. Patří mezi ně ATP , DNA , RNA , proteiny tepelného šoku . DAMP spouští zánětlivé procesy v buňkách, aktivuje uvolňování cytokinů a zvyšuje cílení T buněk na specifické cíle. Jeden z DAMP, HMGB1 , hraje zvláštní roli v pyroptóze. HMGB1 je jaderný transkripční faktor , který se uvolňuje ven během pyroptózy a aktivuje buněčné receptory TLR4 a RAGE , které zase aktivují uvolňování cytokinů a migraci buněk. Ukázalo se, že samotný HMGB1 bez IL-1β, IL-18 a dalších DAMP může způsobit zánět [12] .
Signální lipidy skupiny eikosainoidů , jako jsou leukotrieny a prostaglandiny , zvyšují propustnost krevních cév a podporují zánět. V roce 2012 se ukázalo, že influx vápníku po aktivaci kaspázy 1 může indukovat syntézu eikosainoidů. Současně glycin , který inhibuje buněčnou lýzu, ale ne sekreční cesty spojené s kaspázou 1, neblokoval uvolňování eikosanoidů, což potvrzuje, že jsou skutečně secernovány a pasivně neunikají do vnějšího prostředí se zvýšením membrány propustnost. Eikosainoidní signální dráhy nejsou vždy spojeny s aktivací kaspázy 1, ale představují velmi rychlý a silný prozánětlivý signál spouštěný kaspázou 1 [12] .
Několik studií ukázalo, že aktivace kaspázy 1 a autofagie jsou vzájemně antagonistické: aktivní kaspáza 1 potlačuje autofagii, zatímco autofagie interferuje s aktivací kaspázy 1 a snižuje množství IL-1β a zánětů v cytosolu [12] .
Význam pyroptózy jako mechanismu, který odstraňuje patogeny z extracelulárního prostředí, pro které jsou adaptovány, je podporován skutečností, že mnoho patogenů má mechanismy, jak se této vrozené imunitní reakci vyhnout. Tyto patogeny zahrnují jak bakterie , tak viry . Obecně existují tři hlavní směry, na kterých jsou tyto mechanismy vyhýbání se pyroptóze založeny.
Je vhodné zdůraznit, že v závislosti na patogenu může být důležité, aby blokoval nejen pyroptózu, ale také sekreci interleukinů IL-1b a/nebo IL-18 (nebo pouze on, aniž by blokoval pyroptózu) [2] .
Níže uvedená tabulka shrnuje strategie, které různé patogeny používají, aby se vyhnuly pyroptóze [2] .
patogen | Strategie | Efektor | Inflammasom/kaspáza |
---|---|---|---|
Bakterie Salmonella typhimurium |
Inhibice exprese bičíků (aktivuje záněty) Modifikace ligandů Udržování stability vakuol obsahujících bakterie |
Flagellin T3SS SifA |
NLRC4 NLRC4 NLRC4 / NLRP3 |
Francisella | Alternativní struktura LPS není rozpoznána kaspázou 11 Udržování stability buněčné stěny |
Tetraacetylovaný LPS CRISPR-Cas |
Caspase 11 AIM2 |
Listeria | Potlačení exprese flagelinu Omezení exprese listeriolysinu O (LLO) vakuolami |
Flagellin/MogR LLO |
NLRC4 NLRP3 |
pseudotuberculosis | Potlačení aktivace kaspázy 1 | YopM | Kaspáza 1 |
Legionella pneumophila | Udržování stability vakuoly | ShdA | NLRC4 , AIM2 , kaspáza 11 |
flexneri | Potlačení aktivace kaspázy 1 | OspC3 | kaspáza 4 |
Viry Virus myxomatózy |
Potlačení aktivace kaspázy 1 |
M13L-PYD |
Kaspáza 1 |
Vaccinia virus | Potlačení aktivace kaspázy 1 | CrmA | Kaspáza 1 |
Kaposiho sarkom herpes simplex virus (KHSV) | Potlačení zánětu NLRP1 | Orf16 | NLRP1 |
Kromě výše uvedených bakterií mají takové bakterie jako Anaplasma phagocytophilum , Burkholderia thailandensis , Burkholderia pseudomallei [10] mechanismy, jak se vyhnout pyroptóze . Kromě toho jsou záněty spojeny s rozvojem některých protozoálních infekcí , jako jsou infekce způsobené Trypanosoma cruzi , Toxoplasma gondii , Plasmodium spp. a Leishmania [13] .
Jak již bylo zmíněno výše, pyroptóza je důležitým obranným mechanismem přirozené imunity, protože spouští zánětlivý proces. Kromě toho pyroptóza spolu s nekroptózou slouží jako důležitý mechanismus pro eliminaci infikovaných buněk. U systémových infekcí se to však vztahuje také na hematopoetické kmenové a progenitorové buňky , což má za následek zhoršenou krvetvorbu, cytopenii a imunosupresi [14] . Přetrvávající zánět je však spojen s mnoha onemocněními, včetně metabolických poruch, autoinflamatorních poruch a poškození jater [15] .
Úroveň exprese NLRP3 inflammasomu a kaspázy 1 přímo souvisí se závažností symptomů takových metabolických poruch , jako je obezita a diabetes mellitus 2. typu . To je způsobeno účinkem kaspázy 1 na hladiny IL-1p a IL-18, které zhoršují sekreci inzulínu . Když je kaspáza 1 nadměrně exprimována, snižuje se buněčný příjem glukózy a nastává stav známý jako inzulínová rezistence [16] . Dále se dále zhoršuje, protože IL-1β indukuje destrukci pankreatických β-buněk [17] .
Mutace v genech kódujících složky zánětu vedou k rozvoji autoinflamatorních onemocnění známých jako kryopyrinopatie. Mezi tato onemocnění patří Muckle-Walesův syndrom , chladová alergie a novorozenecké multisystémové zánětlivé onemocnění [18] . Všechny se vyznačují náhlými záchvaty horka a horečkou a lokalizovanými záněty; tyto účinky jsou způsobeny nadměrnou tvorbou IL-1β [19] .
Existují důkazy, že kaspáza 1 se podílí na patogenezi dalších onemocnění spojených s buněčnou smrtí a zánětem, jako jsou: infarkt myokardu , cerebrální ischemie , neurodegenerativní onemocnění , zánětlivé onemocnění střev a endotoxinový šok [10] . Je možné, že pyroptóza souvisí s rozvojem systémového lupus erythematodes [20] . Poškození jater při úpalu je způsobeno pyroptózou [21] .
Studie z roku 2014 ukázala, že u infekce HIV je pyroptóza základem snížení počtu CD4+ T buněk a zánětu [22] [23] , dvou charakteristických jevů, ke kterým dochází během přechodu infekce HIV do stadia AIDS . Kvůli pyroptóze při infekci HIV vzniká „začarovaný kruh“: T buňky, které odumírají pyroptózou, uvolňují prozánětlivé signály, které přitahují další T buňky do infikované lymfoidní tkáně , kde také umírají; tak vzniká chronický zánět a destrukce tkáně. Je možné, že bezpečné a účinné inhibitory kaspázy 1 by mohly tento cyklus přerušit. Tyto látky by se mohly stát novými léky proti HIV, které nepůsobí na samotný virus, ale na hostitelský organismus. Je zajímavé, že myši s deficitem kaspázy 1 nevykazují viditelné abnormality a nevyvíjejí se normálně, takže inhibice tohoto proteinu nebude mít u lidí infikovaných HIV významné vedlejší účinky [24] [11] [22] .
Typy buněčné smrti | |
---|---|
neprogramovatelné | Nekróza |
Programovatelné |
|