细胞焦亡与牙龈卟啉单胞菌的关系及其在牙周病发生发展中的作用机制
唐秋玲, 李格格, 潘佳慧, 侯玉帛, 孟阳, 于维先
吉林大学口腔医院牙周病科,吉林省牙发育及颌骨重塑与再生重点实验室 长春 130021
[通信作者] 于维先,教授,博士,Email:yu-wei-xian@163.com

[作者简介] 唐秋玲,硕士,Email:1099524983@qq.com

摘要

细胞焦亡是一种典型的程序性细胞死亡方式,主要通过炎症小体的介导,并伴有大量促炎性细胞因子的释放。牙龈卟啉单胞菌作为牙周炎的关键致病菌,一方面可通过激活牙周组织中巨噬细胞内核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3炎症小体,促进细胞焦亡,引发牙周组织免疫病理损伤;另一方面,牙龈卟啉单胞菌通过抑制血管内皮细胞焦亡,逃逸免疫系统的杀伤作用,促进自身生存。本文就细胞焦亡及其在牙周炎中的作用机制作一综述。

关键词: 牙周炎; 细胞焦亡; 作用机制
中图分类号:R781.4    文献标志码:A       doi: 10.7518/gjkq.2017.06.007
Mechanism of pyroptosis and Porphyromonas gingivalis in periodontitis development process
Tang Qiuling, Li Gege, Pan Jiahui, Hou Yubo, Meng Yang, Yu Weixian.
Dept. of Periodontology, School and Hospital of Stomatology, Jilin University;Jilin Provincial Key Laboratory of Tooth Development and Bone Remodeling, Changchun 130021, China
Abstract

Pyroptosis is a typical form of programmed cell death mediated by inflammasomes. It leads to inflammatory response through the release of pro-inflammatory cytokines. Porphyromonas gingivalis is the keystone pathogen of periodontitis. On the one hand, it can activate thenucleotide-binding oligomerization domain like receptor protein 3 inflammasomes of macrophages in the periodontal tissue, and it also can promote pyroptosis that lead to the immune pathological damage of periodontal tissue; on the other hand, it restrain the pyroptosis of vascular endothelial cell and escape the killing of the immune system. In this paper, the recent progress and mechanism of pyroptosis in periodontitis are reviewed.

Keyword: periodontitis; pyroptosis; mechanism

细胞焦亡是近年来发现并证实为一种炎症性的细胞死亡形式, 由病原菌来源的病原相关分子模式(pathagen-associated molecular pattern, PAMP)分子诱导[1], 活化细胞内的炎症小体进一步激活半胱氨酸天冬酰胺特异蛋白酶(cysteinyl aspartale specific protease, caspase), 启动细胞内程序性死亡。细胞焦亡一方面引起大量炎性细胞聚集, 有效清除感染病原菌, 另一方面这些炎性细胞也可引起组织过度的免疫炎症反应, 造成局部免疫病理损伤。研究[2]表明, 炎症小体在牙周炎患者的牙周组织中表达量明显增高, 提示细胞焦亡在牙周炎的发生发展过程中起重要作用。本文就细胞焦亡及其在牙周炎中的作用机制作一综述。

1 细胞焦亡

细胞焦亡是最早在鼠伤寒沙门氏菌感染的巨噬细胞中发现的一种新的细胞死亡方式[3], 其主要由炎症小体活化及其下游效应因子caspase的激活引起。细胞焦亡表现为细胞核浓缩、染色质DNA断裂、脱氧核糖核苷酸末端转移酶介导的缺口末端标记(TdT-mediated dUTP nick labeling, TUNEL)染色和磷脂结合蛋白染色阳性等特点, 同时还伴随细胞膜裂孔形成、细胞水肿、细胞膜破裂和细胞内容物释放到细胞外基质引起的炎症反应[4]。在这一过程中, 神经元活动调节的核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白(nucleotide-binding oligome-rization domain like receptor protein, NLRP)3炎症小体和caspase-1在启动细胞焦亡中起到至关重要的作用[5]

1.1 NLRP3炎症小体与细胞焦亡

炎症小体是由病原菌来源的PAMP被细胞质内核苷酸结合寡聚化结构域样受体(nucleotidebin-ding oligomerization domain like receptor, NLR)家族的部分成员(NLRP1、NLRC4、NLRP3、NAIP5、NLRP6和NLRC5等)或细胞质DNA传感器黑色素瘤缺乏因子2(absentin melanoma 2, AIM2)所识别, NLR或AIM2进一步与含有caspase活化募集结构域的凋亡相关斑点样蛋白(apoptosisasso-ciated speck-like protein containing a caspase activa-tion and recruitment domain, ASC)和促炎症蛋白酶caspase结合, 组成多蛋白复合物, 即NLRP1、NLRP3、NLRC4、NLRC5、NLRP6和AIM2等炎症小体, 这些是固有免疫系统的重要组成部分。研究[6]表明, 牙龈卟啉单胞菌作为牙周炎的主要致病菌, 其可调控吞噬细胞的内吞作用和抑制溶酶体对其降解, 促进其在吞噬细胞中生存, 逃逸免疫系统的杀伤作用。此外, 牙龈卟啉单胞菌还释放白细胞毒素、脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)和脂磷壁酸(lipoteichoic acid, LTA)等PAMP激活细胞内模式识别受体, 活化NLRP3炎症小体, 激活caspase-1, 引起细胞焦亡, 分解破坏炎性细胞, 为牙龈卟啉单胞菌提供营养物质的同时, 释放大量促炎细胞因子, 引起牙周组织的免疫病理损伤, 形成一条正反馈破坏通路, 加剧牙周组织破坏, 因此细胞焦亡在牙周炎的发生发展过程中起到关键作用。根据NLRP3炎症小体活化细胞焦亡通路的不同, 可分为标准型炎症小体通路和非标准型炎症小体通路[7]

1.1.1 标准型炎症小体通路 标准型炎症小体通路是指病原菌来源的PAMP直接激活炎症细胞内的NLRP3[8], NLRP3结构中的N端效应结构域连接ASC, ASC通过其caspase活化募集结构域(caspase activation and recruitment domain, CARD)与无活性的caspase-1前体中的CARD结合, 将其剪切为有活性的caspase-1[9], 活化的caspase-1一方面诱导促炎细胞因子白细胞介素(interleukin, IL)-β 和IL- 18在炎症细胞中的表达, IL-1β 和IL-18通过募集、激活其他免疫炎症细胞, 上调其他促炎细胞因子如肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF)- α 、IL-6等[10], 趋化因子如多效应细胞因子IL-8、CXCL8、单核细胞趋化蛋白-1等和黏附分子的合成[11], 进一步放大局部和全身炎症反应。随着促炎细胞因子IL-1β 和IL-18的释放, 炎性细胞还伴随一定的三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)的释放, ATP与炎性细胞表面的嘌呤能受体P2X7结合[12], 诱导K+选择性通道开放, K+外流使半通道蛋白pannexin-1在细胞膜上形成小孔, 使胞外配体PAMP进入细胞内, 进而直接激活NLRP3炎症小体, 引发新一轮的细胞焦亡, 加剧细胞膜表面裂孔数目, 引发细胞水肿最终细胞膜破裂, 细胞内容物除病原菌外, 非组蛋白染色体结合蛋白, 如高迁移率族蛋白B1(high-mobility group box, HMBG1)被释放到细胞外基质中。HMGB1与终末糖基化产物受体或Toll样受体等结合, 活化巨噬细胞和白细胞等炎症细胞[13, 14], 这些炎症细胞进一步释放促炎细胞因子如IL-1β 、6和TNF-α 等[15], 诱导破骨细胞前体细胞增殖、分化成为成熟的破骨细胞引起牙槽骨吸收[16], 加剧免疫病理损伤[17]

1.1.2 非标准型炎症小体通路 非标准型炎症小体通路是指吞噬细胞内的病原菌一方面通过其释放的LPS等PAMP, 可直接激活人caspase-4、caspase- 5或鼠caspase-11, 活化的caspase-4、caspase-5、cas-pase-11诱导IL-1β 和IL-18表达的同时还将炎性基质Gasdermin-D蛋白分解[18], 利用分解得到的氨基末端Gasdermin-N结构域[5], 直接激活caspase-1或间接激活NLRP3炎症小体, 诱导细胞焦亡, 破坏牙周组织。另一方面, 这些病原菌通降解细胞内溶酶体酶, 保护自身的同时还可释放组织蛋白酶B[15, 19], 后者可诱导内源配体激活炎症小体, 但具体机制不清。

1.2 caspase与细胞焦亡

caspase家族能够利用自身半胱氨酸残基催化位点特异性地分解含天冬氨酸残基的蛋白质, 在诱导细胞焦亡和控制炎症反应方面起重要作用。炎症性的caspase, 如caspase-1、caspase-4、cas-pase-5和caspase-11是宿主免疫炎症和细胞死亡的重要调控者。在人类和小鼠的炎症组织中共同发现由CASP1基因编码的caspase-1, 在人类炎症组织发现由CASP4和CASP5基因编码的caspase-4和caspase-5与小鼠炎症组织中由CASP11基因编码的caspase-11功能相似[20]。caspase参与的炎症反应及细胞焦亡能有效提高机体抵抗内源性和外源性刺激的能力, 达到保护宿主的目的。研究[21]发现, 在耶尔森氏鼠疫杆菌感染的巨噬细胞中, caspase的缺失会促进自身吞噬作用, 而抑制细胞焦亡。

2 细胞焦亡在牙周炎中的作用机制

牙周炎是以牙周结缔组织破坏和牙槽骨吸收为特点的一种慢性炎症性疾病, 其发病率高达80%以上, 为成人失牙的主要原因, 同时作为糖尿病和动脉粥样硬化等全身性疾病的危险因素, 危害全身健康[22]。细胞程序性死亡不仅在牙周炎的发生发展中起到重要作用, 还与牙周炎相关的全身性疾病的形成密切相关。

2.1 细胞焦亡在牙龈卟啉单胞菌诱导牙周炎中的作用机制

细胞程序性死亡在牙龈卟啉单胞菌诱导慢性牙周炎中起到重要作用, 牙龈卟啉单胞菌在入侵牙周组织的过程中释放多种毒力因子, 如LPS、LTA和牙龈蛋白酶等, 其中已有研究[23, 24]发现, 牙龈蛋白酶可通过促进BCL2家族的BH3域促程序性细胞死亡蛋白— — B细胞淋巴瘤-2细胞死亡调节蛋白和B细胞淋巴瘤-2相关死亡蛋白在成骨细胞中的表达增高, 进一步活化下游促程序性细胞死亡蛋白BCL2同源拮抗剂或杀手蛋白和BCL2相关蛋白X, 最终激活caspase-3和caspase-7, 诱导成骨细胞凋亡。

然而关于细胞焦亡在牙周炎发生发展中的详细机制目前尚不清楚。研究发现, 与健康人牙周组织相比, 在牙龈炎、侵袭性牙周炎及慢性牙周炎患者的牙周组织中, 细胞焦亡相关NLRP3炎症小体和促炎细胞因子IL-1β 和IL-18的表达量明显增加[2], 在牙龈卟啉单胞菌诱导单核细胞/巨噬细胞死亡的过程中, NLRP3和ASC的表达明显增加, 并会形成细胞焦亡相关NLRP3炎症小体, 诱导细胞焦亡[25], 导致细胞膜破裂, 细胞内容物释放。分解的细胞内容物一方面为牙龈卟啉单胞菌的生存提供营养物质, 另一方面包括HMGB1在内的细胞内容物还可作为损伤相关分子模式(damage-associated molecular pattern, DAMP), 促使中性粒细胞和巨噬细胞在内的炎性细胞大量聚集, 释放大量促炎细胞因子的同时, 有效清除致病菌。然而研究[26]发现, 牙龈卟啉单胞菌能够负向调节中性粒细胞等炎性细胞对牙龈卟啉单胞菌的吞噬杀伤作用。牙龈卟啉单胞菌在逃逸免疫系统的杀伤作用的同时, 还可促进IL-1β 、IL-6、TNF- α 等促炎细胞因子在这些炎性细胞中的表达, 维持牙周组织的局部炎症反应。IL-1β 、IL-6、TNF-α 等促炎细胞因子和牙龈卟啉单胞菌释放的毒力因子共同参与并加剧了牙周组织的分解破坏, 促进了牙周炎的发展进程[27]

2.2 细胞焦亡与牙周炎相关的全身性疾病的作用机制

研究发现, 细胞焦亡与动脉粥样硬化的发生发展以及动脉粥样硬化斑块的稳定性密切相关。在动脉粥样硬化斑块中, 巨噬细胞焦亡、大量促炎细胞因子的释放是导致斑块破裂, 发生急性冠状动脉综合征的重要机制之一。牙周炎与动脉粥样硬化密切相关, 牙龈卟啉单胞菌通过其表面菌毛蛋白与白细胞或红细胞细胞膜上的补体C3受体结合, 进入这些细胞内, 进而从口腔黏膜进入大动脉血液循环系统。有研究在牙周炎患者血液中检测到大量的牙龈卟啉单胞菌, 牙龈卟啉单胞菌可利用其释放的菌毛蛋白A侵入血管内皮细胞, 抑制细胞内NLRP3和丝氨酸/苏氨酸蛋白酶1受体的激活, 进而抑制血管内皮细胞启动细胞焦亡程序, 为自身提供适宜的生存环境。另一方面, 牙龈卟啉单胞菌可上调低密度脂蛋白在血管内皮细胞的表达水平, 而低密度脂蛋白可活化巨噬细胞内caspase-1, 诱导巨噬细胞焦亡, 促进牙龈卟啉单胞菌生存的同时, 释放促炎细胞因子IL-1β 和IL-18, 引发血管局部炎症反应, 血小板聚集, 导致血管栓塞, 形成动脉粥样硬化斑块, 导致动脉粥样硬化的发生[6]

The authors have declared that no competing interests exist.

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