# Gasdermin D（GSDMD）介导的细胞焦亡：分子机制、相关疾病及治疗靶点
引言
细胞焦亡是一种由 Gasdermin 蛋白介导的程序性炎症细胞死亡方式，在免疫调节和多种疾病进展中发挥关键作用。1986 年巨噬细胞感染炭疽致死毒素后出现的细胞现象开启了细胞焦亡的研究历程，但早期进展缓慢。直到 2015 年，Feng Shao 和 Vishva M. Dixit 团队发现 Gasdermin D（GSDMD）是细胞焦亡的核心执行者，这一突破推动了对 GSDMD 的深入研究，涵盖其结构、表达模式、分子机制、病理作用和治疗潜力等多个方面。
GSDMD 在不同组织和细胞类型中的表达存在显著差异。在静息状态下，其在小肠、脾脏和肝脏等组织中高表达，在心脏中表达较低。而在疾病状态下，非肿瘤疾病中 GSDMD 表达通常上调，肿瘤疾病中其表达受肿瘤微环境影响，变化更为复杂。从结构上看，GSDMD 由 GSDMD-N 和 C 末端片段（GSDMD-C）组成，在正常情况下形成自我抑制构象。当受到损伤相关分子模式（DAMPs）或病原体相关分子模式（PAMPs）刺激时，激活的半胱天冬酶 - 1（caspase-1）或半胱天冬酶 - 4/5/11 会切割 GSDMD，释放 N 末端片段，该片段寡聚化并在细胞膜上形成孔道，引发炎症细胞因子释放和细胞焦亡。此外，GSDMD 还参与自噬等非细胞焦亡过程，其激活途径、切割位点和孔形成活性受病理条件和微环境的精细调控，进而影响其生物学功能和炎症反应。
在多种疾病中，GSDMD 通过经典的含 NOD、LRR 和 pyrin 结构域蛋白 3（NLRP3） - caspase-1 - GSDMD 途径和非经典的 caspase-11 途径介导炎症细胞因子释放和细胞焦亡，且功能具有情境依赖性。例如在急性心肌梗死（MI）中，GSDMD 通过调节中性粒细胞自噬加剧炎症损伤；在实验性结肠炎中，它增强黏膜完整性以抵御细菌入侵，发挥保护作用。在肿瘤中，GSDMD 具有双重作用，既能通过免疫抑制机制促进肿瘤增殖和迁移，也能抑制肿瘤生长。目前，虽然 GSDMD 在免疫和炎症调节中的作用已被广泛认识，但其主要影响常与器官损伤和疾病严重程度加剧相关，且尚无获批的 GSDMD 抑制剂，因此开发有效的靶向抑制剂具有重要的临床意义。
GSDMD 表达的细胞异质性
静息状态下 GSDMD 在组织和细胞间的表达差异
静息状态时，GSDMD 在不同组织的表达水平差异显著，这主要源于组织内细胞的异质性。以小肠为例，上皮细胞、内皮细胞和间充质细胞等主要细胞类型均高表达 GSDMD，使得小肠整体的 GSDMD 表达水平较高。肝脏中约 60% 的肝细胞高表达 GSDMD，其他细胞如内皮细胞、胆管细胞、肝星状细胞和免疫细胞也有不同程度表达，共同导致肝脏的高表达。相比之下，心脏中构成 20%-35% 组织的心肌细胞 GSDMD 表达水平低，致使心脏组织整体表达较低。
此外，GSDMD 在同一组织内还存在空间表达差异，且相同细胞类型在不同组织中的表达水平也有所不同。如小肠近端区域 GSDMD 表达范围为 201.7 - 375.4，整个小肠平均表达水平为 80 - 161.9。巨噬细胞的 GSDMD 表达也因所在组织不同而变化，在骨髓、肾脏和肺中的表达水平分别为 58.8、94.7 和 43.4 - 93.0。这些差异可能与巨噬细胞亚型有关，但具体机制仍有待深入探究。
疾病状态下 GSDMD 在组织和细胞间的表达变化
在非肿瘤疾病（包括非感染性、感染性和自身免疫性疾病）中，GSDMD 表达显著上调；在肿瘤疾病中，其表达变化更为复杂。
在非肿瘤疾病里，GSDMD 在心脏、肝脏、大脑、脾脏、小肠和肾脏等多个组织的实质细胞和免疫细胞中表达增加。例如在心脏疾病中，心肌损伤引发的氧化应激会导致心肌细胞中 GSDMD 表达上升，激活的 caspase-11 切割 GSDMD 形成 GSDMD-N 孔道，释放白细胞介素 - 18（IL-18），加剧心肌再灌注损伤。在肝脏疾病中，无论是酒精性肝炎、非酒精性脂肪性肝炎还是肝缺血 - 再灌注损伤，肝细胞中的 GSDMD 表达均显著上调，敲除肝细胞中的 GSDMD 可有效减轻炎症细胞浸润和纤维化。在神经系统疾病中，脑缺血和神经退行性疾病会激活小胶质细胞中的环鸟苷酸 - 腺苷酸合成酶（cGAS）信号通路，促进 GSDMD 等蛋白表达，导致细胞极化和细胞焦亡。
在肿瘤疾病中，肿瘤组织中 GSDMD 的表达与肿瘤微环境密切相关，主要受肿瘤细胞和免疫细胞调节。在急性炎症微环境中，肿瘤细胞和免疫细胞中低表达的 GSDMD 有利于肿瘤生长；而在慢性炎症微环境中，免疫细胞中 GSDMD 介导的细胞焦亡会引发炎症反应，进一步促进肿瘤进展 。
GSDMD 介导的信号通路
结构层面的 GSDMD 介导信号通路
GSDMD 由 GSDMD-N 和 GSDMD-C 两个主要结构域通过柔性连接肽相连。N 末端结构域包含三个 α 螺旋和十个 β 折叠，C 末端结构域则由九个 α 螺旋和一个反平行三联体 β 折叠结构组成。在静息状态下，GSDMD-C 结构域的 β12 - β14 - β13 序列覆盖 GSDMD-N 结构域的 α1 和 α4 螺旋，维持全长 GSDMD 蛋白的自抑制活性。当受到炎症刺激时，这种自抑制结构被破坏，在特定连接位点发生切割，释放 GSDMD-C 和 GSDMD-N。GSDMD-N 在 α1 和 α4 螺旋的引导下定位到质膜，与内层酸性磷脂相互作用，发生构象重排并组装成孔道。这些孔道由 31 - 34 个亚基组成，外径约 30nm，内径约 20nm，从而引发细胞焦亡。不过，GSDMD-N 中 β1 - β2 环在孔形成过程中的精确功能以及它被 GSDMD-C 掩盖实现自抑制的机制仍有待进一步研究。
细胞层面的 GSDMD 介导信号通路
GSDMD 在巨噬细胞、中性粒细胞、T 细胞、上皮细胞和线粒体等不同细胞类型中，通过不同机制响应病原体和食物抗原等刺激，包括 GSDMD 的激活和切割、在细胞膜上的积累和孔形成、孔介导的炎症因子分泌以及细胞焦亡途径，此外还能诱导非细胞焦亡途径。
- GSDMD 的激活和切割：GSDMD 的活性主要依赖其切割，且切割模式和位点因细胞类型、刺激因子和病理因素而异。在巨噬细胞中，GSDMD 可被 caspase-1/8/4/5/11 切割形成 GSDMD-N。其中，caspase-1 介导的途径被视为经典途径，当脂多糖（LPS）或 DAMPs 被模式识别受体（PRRs）识别后，激活 caspase-1，进而促进 NLRP3、NLRP9b 等多种炎症小体的表达和组装，这些炎症小体切割 caspase-1，再由 caspase-1 介导 GSDMD 的切割。caspase-4/5/11 途径则为非经典途径，PAMPs 可不通过 PRRs 识别直接激活 caspase-4、5 和 11 来调节 GSDMD 的切割。另外，caspase-8 在耶尔森菌或 LPS 刺激下，可促进 Fas 相关死亡结构域蛋白（FADD） - 受体相互作用丝氨酸 / 苏氨酸蛋白激酶 1（RIPK1） - caspase-8 复合物的形成并切割 GSDMD。
在中性粒细胞中，DAMPs 刺激激活 NLRP3 - caspase-1 信号通路，导致 GSDMD 和前体 IL-1β 的切割，产生 GSDMD-N 和 IL-1β。GSDMD-N 主要与嗜天青颗粒和 LC3 + 自噬体结合，促进 IL-1β 的释放，而非定位到质膜引发细胞焦亡。当受到 LPS 或革兰氏阴性菌刺激时，caspase-4/11 激活可诱导中性粒细胞发生细胞焦亡并释放中性粒细胞胞外陷阱（NETs）。此外，中性粒细胞还可利用特异性表达的中性粒细胞弹性蛋白酶（ELANE）独立激活 GSDMD，组织蛋白酶 G 也能识别 GSDMD 上的半胱氨酸（Cys）268 位点进行切割，进一步促进成熟 IL-1β 的释放和炎症反应的放大。
在 T 细胞中，HIV 病毒 DNA 和慢病毒短发夹 RNA 可激活 NLRP3 炎症小体，进而激活 caspase-1。此外，caspase-1 的激活还可由 CARD8 炎症小体介导，该过程受二肽基肽酶 9（DPP9）调节。激活的 caspase-1 会在原代人 CD4 和 CD8 T 细胞中切割 GSDMD 的天冬氨酸（Asp）275 位点。
在肠上皮细胞中，GSDMD 可被 caspase-1 和 caspase-3/7 切割。在 caspase-1 切割途径中，轮状病毒感染后，肠上皮细胞特异性表达的 NLRP9b 蛋白被激活，RNA 解旋酶 Dhx9 识别较短的双链 RNA（dsRNA）片段，与接头蛋白 ASC 和 caspase-1 形成炎症小体复合物，促进 GSDMD 的切割。caspase-8（C362S）的表达可进一步触发 ASC 斑点的形成并激活 caspase-1。caspase-1 不仅能直接激活 GSDMD，还能激活 caspase-7。在 caspase-3/7 切割途径中，GSDMD 的 D88 位点可被 caspase-3/7 切割，形成约 13kD 的 GSDMD-N 末端和 42kD 的 GSDMD-C 末端。在脑内皮细胞中，LPS 刺激激活 caspase-4/11 - GSDMD 途径，导致血脑屏障破坏，激活的 GSDMD 在细胞膜上形成孔道，增加膜通透性并诱导细胞焦亡。
在线粒体中，吞噬的细菌内毒素 LPS 激活 GSDMD，使其在线粒体上形成孔道，释放线粒体 DNA（mtDNA）。释放的 mtDNA 进入细胞质，触发炎症小体组装、caspase-1 激活和细胞焦亡，该过程受 MRE11A 调节。在携带 Lrrk2G2019S突变的巨噬细胞中，炎症小体激活会增加线粒体活性氧（mtROS）水平，促进 GSDMD 与线粒体膜的结合。受到 LPS 和尼日利亚菌素刺激后，GSDMD 通过 caspase-1 和 caspase-4/5/11 介导的细胞焦亡途径被切割，细胞质中的 GSDMD-N 在线粒体内外膜上形成孔道，导致线粒体数量减少、mtROS 水平降低，并释放线粒体基质和膜间隙中的蛋白质和 DNA。
- GSDMD 在膜上的积累和孔形成：在巨噬细胞中，切割后的 GSDMD-N 迅速在细胞膜上积累，选择性地靶向特定膜成分，对膜内层的磷脂酰肌醇和心磷脂具有高亲和力，并在这些部位形成细胞焦亡孔道。GSDMD 孔道的形成需要特定蛋白质的参与，如 Ragulator - Rag 复合物对巨噬细胞中 GSDMD 孔道的形成至关重要，增强活性氧（ROS）产生的线粒体毒物可恢复 GSDMD 的寡聚化和孔形成。GSDMD 的翻译后修饰对其膜定位和细胞焦亡过程起着关键调节作用。例如，棕榈酰转移酶 DHHC7 对 GSDMD 进行棕榈酰化修饰，促进其被 caspases 切割，随后 GSDMD-N 的棕榈酰化增强其向质膜的转运，而 APT2 对 GSDMD-N 的去棕榈酰化暴露 Cys192 残基，促进其寡聚化。ZDHHC5 和 ZDHHC9 介导的 GSDMD 棕榈酰化增加了 GSDMD-N 对磷脂酰肌醇和心磷脂的亲和力，调节其在质膜上的定位并影响寡聚化。GSDMD 在 Cys191 位点的 S - 棕榈酰化对 GSDMD-N 孔道的形成至关重要，且该修饰不受 GSDMD 切割的影响，还可被线粒体来源的 ROS 增强。此外，GSDMD 的 Cys191/Cys192 位点还可发生琥珀酰化，负向调节细胞焦亡过程中 GSDMD 的棕榈酰化。在小肠上皮细胞中，GSDMD 的 N 末端可转运到细胞核，诱导小肠上段肠上皮细胞中 MHCII 分子的转录，引发对病原体的保护性免疫反应。
- 通过 GSDMD 孔释放炎症细胞因子：GSDMD 在膜上形成的孔道可介导炎症细胞因子的释放。在巨噬细胞中，这些孔道能够分泌成熟的 IL-1β、IL-18 等炎症因子，启动后续的炎症反应。GSDMD-N 孔道由于带负电荷，允许带正电荷的小蛋白如 IL-1β 通过，而带负电荷的未加工 IL-18 或类似分子量的蛋白质则较难通过。此外，GSDMD-N 在膜上形成的孔道内径约为 10 - 16nm，使得直径约 7.5nm 的 IL-1β/IL-18 等小分子能够通过。然而，中性粒细胞和小肠上皮细胞中 IL-1β 的释放机制与巨噬细胞和树突状细胞不同。虽然 GSDMD 对中性粒细胞和小肠上皮细胞中 IL-1β 的释放至关重要，但它无法在膜上形成孔道，因此 IL-1β 不能通过细胞焦亡孔道释放到细胞外。研究发现，中性粒细胞中的 IL-1β 通过自噬途径释放，小肠上皮细胞中的 IL-1β 则以分泌外泌体货物的形式分泌到膜外。GSDMD 还可介导前体 IL-1β 的泛素化，促进 IL-1β 包装到分泌囊泡中并以非孔依赖的方式释放到细胞外。
除了 IL-1β 的释放，GSDMD 还参与多种物质的释放过程。在巨噬细胞中，caspase-11 介导的细胞溶质 LPS 感知可通过 GSDMD 孔直接触发半乳糖凝集素 - 1 的全身释放。在上皮细胞和肝星状细胞中，GSDMD 被切割成 GSDMD p40 片段，在细胞膜上形成孔道并允许 IL-33 的分泌，且该切割过程不依赖于 caspase-1/11。在线粒体中，GSDMD 除了介导细胞焦亡外，还具有非细胞焦亡效应。当 Lrrk2G2019S巨噬细胞中的炎症小体激活时，升高的 mtROS 引导 GSDMD 与线粒体膜结合，线粒体 GSDMD 孔的形成释放 mtROS，并促进 RIPK1/RIPK3 / 混合谱系激酶结构域样蛋白（MLKL）依赖的坏死性转变。中性粒细胞中 GSDMD 在嗜天青颗粒中的聚集会导致弹性蛋白酶 NE 释放到细胞质中，进而引发 GSDMD 的二次切割。此外，GSDMD 还影响中性粒细胞胞外陷阱（NETs）的形成，在 NETosis 过程中，GSDMD 被中性粒细胞蛋白酶水解激活，通过前馈循环影响蛋白酶激活和核扩张。高迁移率族蛋白 B1（HMGB1）的释放虽不通过 GSDMD 孔，但依赖于 GSDMD。11,12 - 环氧二十碳三烯酸（11,12-EET）作为一种具有生物活性、促进愈合的氧化脂质，也以 GSDMD 依赖的方式从过度活化的巨噬细胞中分泌。
- GSDMD 孔介导的细胞焦亡：GSDMD 孔最终可介导细胞焦亡。在巨噬细胞中，GSDMD 孔诱导细胞膜起泡和肿胀，由于渗透压变化导致细胞膜完整性丧失，最终触发细胞焦亡，并伴随乳酸脱氢酶（LDH）的被动释放。不过，GSDMD 介导的质膜破裂并非由渗透压驱动，而是由蛋白质 Ninjurin - 1（NINJ1）主动调节。在真核细胞的裂解性细胞死亡过程中，NINJ1 的细胞外 α 螺旋插入质膜，促进 NINJ1 单体聚合成两亲性细丝，导致膜破裂。在巨噬细胞介导的细胞焦亡模型中，正向遗传筛选已证实 NINJ1 在质膜破裂中的关键作用，缺乏 NINJ1 时，细胞焦亡受到抑制，细胞最终死亡但膜未破裂，胞质成分如 LDH 也不会释放到细胞外环境中。
GSDMD 介导的细胞焦亡可被某些促进膜修复的蛋白质抑制。例如在小肠上皮细胞中，caspase-7 通过切割和激活酸性鞘磷脂酶（ASM）来调节 GSDMD 孔的形成，产生的神经酰胺有助于膜修复，从而维持细胞完整性。此外，通过 GSDMD 孔的钙离子内流可作为信号，招募运输所需的内体分选复合物（ESCRT）到受损膜部位，启动膜修复过程。抑制 ESCRT - III 机制会显著放大细胞焦亡，并增强人和小鼠细胞在经典或非经典炎症小体激活后的 IL-1β<>
GSDMD 在疾病中的功能异质性
GSDMD 在非肿瘤疾病中的功能
GSDMD 在非肿瘤疾病（包括感染性、非感染性和自身免疫性疾病）中广泛表达且发挥关键调节作用，其功能和机制与在特定组织和细胞类型中的定位密切相关。
- 在非感染性疾病中的作用：在心脏、肝脏、肾脏、神经系统、眼睛和血管等多种非感染性疾病中，GSDMD 表达相较于正常对照组显著上调。在心脏疾病方面，缺血性心脏病（如 MI/R 损伤和 MI）是致命的心脏疾病，其病理过程与 GSDMD 的表达和激活紧密相连。在 MI/R 损伤中，氧化应激激活 caspase-11，促使 GSDMD 切割，形成的 GSDMD-N 片段寡聚化后在细胞膜上形成孔道，加剧心肌细胞损伤。在 MI 中，中性粒细胞迁移至梗死心肌，发生 NETosis 并释放 S100A8 和 S100A9，上调其他中性粒细胞的 CXCR4 表达，促使中性粒细胞回流至骨髓，通过 GSDMD 介导的细胞焦亡孔释放 IL-1β，促进粒细胞生成。此外，GSDMD 还通过自噬依赖机制介导 IL-1β 释放，表明其在 MI 病理生理过程中具有非细胞焦亡作用。在糖尿病心肌病中，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）通路的上调加速细胞焦亡，导致心肌肥大和胶原沉积，进一步加重心脏功能障碍。
在肝脏疾病中，GSDMD 的过度激活显著加剧肝脏损伤，涉及免疫细胞和肝细胞。肝脏中的不变自然杀伤 T（iNKT）细胞高表达 caspase-1 和肿瘤坏死因子（TNF）超家族受体 OX40，OX40 激活后通过 TRAF6 招募 paracaspase MALT1，进而激活 caspase-1，切割 GSDMD，促进 IL-1β 成熟和细胞焦亡孔形成，加重肝脏损伤。浸润的巨噬细胞通过 Ikaros-SIRT1 轴调节炎症小体介导的细胞焦亡和肝细胞损伤。此外，非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）和酒精性脂肪性肝炎患者的肝细胞可直接激活 NLRP3-caspase-1 或 DAG-PKCδ-NLRC4 炎症小体，诱导细胞焦亡，促进肝脏纤维化，caspase-4/11 信号通路也可激活下游 GSDMD，加剧肝细胞裂解死亡和多形核（PMN）炎症。
在肾脏疾病中，GSDMD 通过介导 NLRP3、AIM2 和 TLR4 等炎症小体的激活促进细胞焦亡，加剧肾脏损伤并损害肾功能。APOL1 基因变异是多种肾脏功能障碍的重要危险因素，GSDMD 是 APOL1 相关肾脏疾病的关键调节因子，NLRP3 炎症小体激活诱导 GSDMD 介导的细胞焦亡，加重蛋白尿并加速肾功能下降。在横纹肌溶解诱导的急性肾损伤（RIAKI）中，受损肌肉组织释放的双链 DNA（dsDNA）激活 AIM2 炎症小体信号通路，导致巨噬细胞发生细胞焦亡。在糖尿病肾病中，肾小管损伤与 TLR4 和 GSDMD 的上调有关，通过激活 TLR4/NF-κB 信号通路介导肾小管细胞的细胞焦亡。
在神经系统疾病中，脑血管疾病和神经退行性疾病与 AIM2-caspase-1-GSDMD 和 NLRP3-caspase-1-GSDMD 炎症小体信号通路密切相关。在脑血管疾病（如缺血性中风）中，脑缺血导致细胞质中释放 dsDNA，激活 cGAS 信号通路和 AIM2 炎症小体，促进 IL-1β 等促炎细胞因子释放，引发中性粒细胞浸润，最终导致神经元死亡。在神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）中，成熟少突胶质细胞通过 Drp1-HK1-NLRP3 信号轴经历代谢应激，导致炎症和少突胶质细胞损伤，引起脱髓鞘、白质变性和认知障碍。在肌萎缩侧索硬化症（ALS）患者的小胶质细胞和帕金森病（PD）小鼠模型中，也观察到 NLRP3 炎症小体的激活和 GSDMD 的切割。
在眼部疾病中，GSDMD 介导的细胞焦亡在多种眼部疾病中发挥致病作用。在白内障患者中，晶状体囊膜组织或细胞中 NLRP3、caspase-1 和 GSDMD-N 的表达水平显著升高，下调软骨酸性蛋白 1（CRTAC1）可减少 ROS 产生，减轻 UVB 诱导的人晶状体上皮细胞（HLECs）的细胞焦亡。在年龄相关性黄斑变性（AMD）中，黄斑病变中视网膜色素上皮（RPE）的变性由 caspase-4 介导的非典型炎症小体途径驱动，涉及细胞质线粒体 DNA（mtDNA）的释放，激活 cGAS 并随后触发干扰素 -β（IFN-β）信号。在高度近视中，眼轴延长和屈光不正进展与 NLRP3 和 IL-1β 的表达水平升高有关。
在血管疾病中，动脉粥样硬化作为一种与内皮细胞功能障碍相关的炎症性疾病，通过长链非编码 RNA（lncRNA）MEG3 与 miR-223 的序列互补性抑制 miR-223 表达，增强 NLRP3-GSDMD 介导的内皮细胞焦亡，加剧炎症损伤。在 Jak2VF 巨噬细胞中，增殖和糖酵解代谢增加导致 DNA 复制应激和 AIM2 炎症小体激活，进一步促进血管炎症。
在其他非感染性疾病方面，慢性鼻窦炎患者鼻黏膜组织中，细胞外信号调节激酶（ERK）-NLRP3/caspase-1 信号通路介导人鼻上皮细胞（hNECs）的细胞焦亡，且该通路还通过破坏糖皮质激素受体的稳态导致 CRSwNP 患者对糖皮质激素耐药。
- 在感染性疾病中的作用：在人类病理生理过程中，微生物感染与宿主免疫之间的冲突会引发多种疾病，许多与 GSDMD 介导的细胞焦亡相关。在肠道疾病（如实验性结肠炎）中，GSDMD 在结肠上皮细胞中通过 caspase-8 炎症小体信号通路被激活，促进 IL-1β 通过非裂解性囊泡途径释放。同时，caspase-8 和 FADD 调节 ZBP1 和 TNFR1 介导的 RIPK1 和 RIPK3 信号通路，抑制 MLKL 诱导的坏死性凋亡和 caspase-8-GSDMD 依赖的凋亡样上皮细胞死亡，防止 IEC 坏死和随后的肠道炎症。在炎症性肠病的肠神经元中，LPS 在棕榈酸作用下进入细胞质，激活 caspase-11 和 GSDMD，介导细胞焦亡以及随后的肌间神经一氧化氮能神经元变性和结肠运动障碍。此外，结肠巨噬细胞中的 GSDMD 调节 cGAS 介导的炎症反应，保护肠道免受细菌入侵和黏膜屏障破坏后的上皮损伤，减轻结肠炎。
败血症作为一种由感染引起的全身炎症反应综合征，与 caspase-GSDMD 途径介导的细胞焦亡密切相关。在盲肠结扎穿孔（CLP）诱导的败血症小鼠中，NLRP3 炎症小体激活触发 caspase-7 切割和细胞焦亡，介导炎症反应。在由败血症杆菌 α 毒素诱导的败血症模型中，毒素与宿主细胞膜上的糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚定蛋白结合，导致镁和钾离子释放，激活巨噬细胞中的 NLRP3-caspase-1-GSDMD 轴，促进 IL-1β 和 IL-18 的分泌。在高剂量大肠杆菌脂多糖（LPS）处理的细菌败血症模型中，细胞焦亡通过 caspase-11 和 caspase-8 激活介导。此外，HMGB1 与 LPS 相互作用介导 caspase-11 依赖的细胞焦亡，RIPK3 介导的坏死性凋亡和 GSDMD 介导的细胞焦亡协同作用，放大炎症信号和组织损伤。
在其他感染性疾病中，GSDMD 介导的细胞焦亡在多种细胞类型中放大炎症反应。在金黄色葡萄球菌感染的糖尿病足溃疡（DFUs）中，细菌激活 AIM2-caspase-1 炎症小体，触发细胞焦亡，延迟伤口愈合并延长炎症时间。在人类鼻病毒（hRV）感染中，鼻上皮祖细胞和鼻上皮细胞中炎症小体介导的 IL-1β 分泌和细胞焦亡依赖于 DDX33/DDX58-NLRP3-caspase-1-GSDMD 轴，hRV 还通过该途径刺激分化的人鼻上皮细胞（hNECs）产生主要气道黏蛋白 MUC5AC。在内毒素血症中，内皮细胞中 caspase-11 的缺失显著降低 LPS 诱导的肺水肿、中性粒细胞聚集和死亡率。在由 A 群链球菌（GAS）引起的坏死性筋膜炎（NF）和链球菌中毒性休克综合征（STSS）中，可溶性 M1 蛋白的释放通过 NLRP3-caspase-1 途径触发巨噬细胞焦亡和 IL-1β 分泌，导致过度炎症和组织损伤。在急性肺损伤中，鞭毛蛋白激活肺泡巨噬细胞中的 NLRC4-caspase-1 炎症小体，诱导 IL-1β 释放，抑制 NLRC4 炎症小体可增强对铜绿假单胞菌的清除。在疟疾中，单核细胞中 caspase-1/8 的活性促进 TNF-α 和 IL-1β 的释放，这些细胞因子是败血症休克超敏反应和细胞外基质发育的关键介质。此外，在慢性弓形虫脑部感染中，小胶质细胞通过 GSDMD 信号通路释放警报素 IL-1α，促进神经炎症并有助于控制寄生虫。
- 在自身免疫性疾病中的作用：GSDMD 在多种自身免疫性疾病的进展中起着关键作用，通过介导细胞焦亡和放大炎症反应发挥作用。在多发性硬化症（MS）中，实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE，MS 的常用模型）的进展依赖于 GSDMD 的活性。MS 与 NLRP3-GSDMD 途径介导的炎症失调密切相关，在中枢神经系统（CNS）和外周血管中，NLRP3 炎症小体途径驱动 GSDMD 表达增加，涉及髓样细胞（如巨噬细胞和小胶质细胞）和少突胶质细胞（ODCs），caspase1 介导的炎症小体激活和细胞焦亡加剧炎症性脱髓鞘。髓样细胞中 GSDMD 的缺失可减少免疫细胞向 CNS 的浸润，减轻神经炎症和脱髓鞘。在 EAE 模型中，NLRP3-caspase-1-GSDMD 信号通路介导炎症细胞因子的释放，导致炎症失调。
在其他自身免疫性疾病中，Cryopyrin 相关周期性综合征（CAPS）由 pyrin（NLRP3）基因的错义突变引起，导致炎症小体过度活跃，产生过量的促炎细胞因子（如 IL-1β 和 IL-18），驱动疾病病理进程。在家族性地中海热（FMF）中，表达嵌合 Mefv（V726A）pyrin 的敲入巨噬细胞在感染艰难梭菌后表现出细胞焦亡和 GSDMD 介导的 IL-1β 分泌。在由白色念珠菌细胞壁提取物（CAWS）诱导的川崎病小鼠模型中，通过 HMGB1/RAGE/ 组织蛋白酶 B 信号通路激活内皮细胞中的 NLRP3 依赖的细胞焦亡。
GSDMD 在肿瘤疾病中的功能
在肿瘤疾病中，GSDMD 介导的细胞焦亡作用十分复杂，既能促进肿瘤生长，也能抑制肿瘤发生。
- 在肺癌中的作用：在肺癌中，部分药物可通过激活 caspase-1-GSDMD 信号通路诱导细胞焦亡，从而抑制肿瘤生长，但具体机制各异。在非小细胞肺癌中，Reniformin A 增强 TLR4 的稳定性，上调其蛋白表达，激活 NLRP3-caspase-1-GSDMD 途径，诱导 A549 细胞发生细胞焦亡，发挥抗癌作用。CuB 与 TLR4 结合，促进线粒体 ROS 生成、Tom20 积累和钙离子聚集，进一步促进细胞焦亡。ZIF-8 纳米颗粒通过 caspase-1-GSDMD 依赖途径诱导 4T1 细胞发生细胞焦亡，激活抗肿瘤免疫并重塑免疫抑制性肿瘤微环境，有效抑制肿瘤生长。然而，长链非编码 RNA（LncRNAs）在肿瘤进展和治疗耐药中起重要作用。在吉非替尼耐药的肺癌细胞中，H3K4me1 和 H3K27Ac 水平升高激活 LINC00969 的表达，该 LncRNA 与 EZH2 和 METTL3 相互作用，在转录水平调节 NLRP3 启动子的 H3K27me3 修饰，在转录后水平以 m6A-YTHDF2 依赖的方式调节 NLRP3 的 m6A 修饰，这些表观遗传修饰抑制 NLRP3 表达，抑制 NLRP3-caspase-1-GSDMD 途径的激活，使肺癌细胞具有抗细胞焦亡表型。
- 在胰腺癌中的作用：在胰腺癌中，GSDMD 介导的细胞焦亡是多器官相互作用的结果。肥胖作为胰腺癌的重要危险因素，通过 FABP4 介导的饱和脂肪酸以 caspase-1/GSDMD 依赖的方式诱导巨噬细胞发生细胞焦亡，激活 NLRP3 炎症小体和 IL-1β 轴，进一步调节上皮 - 间质转化（EMT）信号，促进胰腺癌细胞的迁移、侵袭和转移。盐酸决奈达隆（DH）可增加胰腺癌细胞的线粒体应激，导致线粒体 DNA（mtDNA）泄漏，激活 cGAS-STING 通路，诱导胰腺癌细胞发生细胞焦亡。此外，胰腺癌细胞对葡萄糖和谷氨酰胺代谢具有很强的依赖性，抑制其摄取会导致营养缺乏和氧化应激，增加 ROS 水平，激活 caspase-1 和 GSDMD，最终诱导胰腺癌细胞发生细胞焦亡。
- 在肝癌中的作用：在肝细胞癌（HCC）中，GSDMD 的阳性表达是预后不良的标志，也是肝癌发生的关键驱动因素。在 HCC 或转移性肝组织中，HMGB1 与 TLR4 结合，激活 caspase-1/GSDMD 信号通路。GSDMD 通过钾离子外流促进自噬，抑制 cGAS 激活，而钙离子内流激活组蛋白去乙酰化酶和 STAT1 信号，诱导程序性死亡配体 1（PD-L1）的转录并增强其表达。在肥胖诱导的肝癌小鼠模型中，衰老的肝星状细胞通过 caspase-11 介导的 GSDMD 切割形成孔道，分泌 IL-1β 及其家族成员 IL-33，IL-33 通过激活 ST2 + 调节性 T 细胞（Tregs）进一步促进肝癌发生。
- 在乳腺癌中的作用：在三阴性乳腺癌（TNBC）中，内质网应激传感器 IRE1α 是关键调节因子，它抑制紫杉醇化疗的免疫刺激作用，抑制免疫冷 TNBC 中的先天免疫识别。IRE1α 的 RNase 通过 IRE1 依赖的降解（RIDD）途径降解紫杉醇诱导的双链 RNA（dsRNA），防止 NLRP3 炎症小体介导的细胞焦亡。抑制 IRE1α 可使紫杉醇诱导大量 dsRNA 产生，被 ZBP1 检测到，从而激活 NLRP3-GSDMD 途径，引发细胞焦亡。此外，在 TNBC 患者中，顺铂（DDP）上调长链非编码 RNA 母系表达基因 3（lncRNA MEG3），激活 NLRP3/caspase-1/GSDMD 介导的细胞焦亡途径。
- 在其他肿瘤中的作用：GSDMD 在肿瘤中还具有多种功能。它可增强肿瘤细胞对细胞焦亡的抗性，增强肿瘤细胞的免疫反应。在缺氧环境中，肿瘤构建的缺氧微环境上调 ERRα 表达，ERRα 直接结合到 NLRP3 启动子的特定序列，抑制 caspase-1/GSDMD 信号通路，增强细胞对细胞焦亡的抗性。增强子失调是一种促肿瘤发生机制，混合系白血病 4（MLL4）的缺失导致增强子和超级增强子失活，降低 RNA 诱导的沉默复合物（RISC）和 DNA 甲基转移酶的表达，重新激活与双链 RNA（dsRNA）- 干扰素信号和 GSDMD 介导的细胞焦亡相关的转录反应。GSDMD 还在炎症性肿瘤微环境（TIME）中介导免疫抑制。PARP 抑制剂（PARPis）通过 TNF-caspase 8-GSDMD/E 轴诱导卵巢癌细胞发生特定类型的细胞焦亡，增强 TIME 并促进肿瘤靶向免疫反应。在小鼠肿瘤模型中，DMB 诱导的低水平细胞焦亡可抑制肿瘤生长，且不损害表达 GSDMD 的免疫细胞的功能。细胞内多胺耗竭可诱导肿瘤细胞线粒体功能障碍，导致线粒体铜离子过度积累和毒性蛋白聚集，触发肿瘤细胞发生细胞焦亡。同时，线粒体 ROS 积累上调 zDHHC5 和 zDHHC9 的表达，促进 GSDMD 及其 N 末端片段的棕榈酰化，放大肿瘤细胞的细胞焦亡反应。在结肠癌中，GSDMD 通过 ROS/caspase-1 信号通路在肿瘤细胞中被激活。
治疗靶点与进展
GSDMD 作为治疗靶点
GSDMD 是炎症反应的关键调节因子，在多种组织和细胞类型中广泛表达且具有特定的定位模式，在非肿瘤疾病和肿瘤相关病理过程中均发挥重要作用。在非肿瘤疾病中，GSDMD 通过调节炎症细胞因子的释放，在病原体清除和组织修复中发挥作用。适度的炎症有助于组织愈合，但疾病进展过程中 GSDMD 的过度表达会加剧炎症反应和组织损伤。基因敲除模型和药理学研究表明，在病理条件下抑制或敲除 GSDMD 可显著减少细胞焦亡和 IL-1β 释放，有效减轻炎症和组织损伤，且不影响正常生理功能，这凸显了 GSDMD 作为治疗靶点的潜力。然而，在结肠炎中，结肠巨噬细胞中的 GSDMD 通过 cGAS 信号通路减轻侵袭性肠道病原体引起的上皮损伤，体现了其在免疫防御中的保护作用，这对将 GSDMD 仅视为促炎靶点的传统观点提出了挑战。
在肿瘤疾病中，GSDMD 具有双重调节作用。激活 GSDMD 信号通路可有效抑制肿瘤生长，但细胞焦亡也可能促进肿瘤细胞的迁移和转移。这种双重功能主要受肿瘤微环境、免疫细胞和肿瘤细胞<之间动态相互作用的影响。总体而言，gsdmd 通过调节炎症反应在肿瘤和非肿瘤疾病中发挥广泛作用，靶向 gsdmd 为缓解炎症相关疾病提供了一种有前景的策略>
近期 GSDMD 抑制剂的研究进展
- 小分子抑制剂：GSDMD 抑制剂在炎症相关疾病治疗方面展现出潜力，其分子靶点和作用机制已得到深入研究。大多数 GSDMD 抑制剂主要靶向人 GSDMD-Cys191 或小鼠 GSDMD-Cys192 位点，通过抑制 GSDMD 表达和 GSDMD-N 聚集来阻断细胞焦亡。从结构上看，GSDMD-Cys191/192 位点位于跨膜区域的远端，处于 GSDMD β7-β8 发夹结构中 β8 链的起始位置，对细胞焦亡 β- 管的形成至关重要。抑制剂通过氢键和共价键与该位点结合，破坏细胞焦亡 β- 管的形成。例如，necrosulfonamide、disulfiram 和 fumarate 等小分子抑制剂结合 GSDMD-Cys191/192 位点，抑制 GSDMD-N 寡聚化和细胞焦亡孔的形成，有效阻断细胞焦亡信号通路，降低败血症相关死亡率，并减轻 EAE 和 MS 模型中的组织损伤。丹红注射液的活性成分丹酚酸 E 通过靶向该位点抑制细胞焦亡，减轻心肌梗死中的心肌纤维化。此外，一种选择性 GSDMD 激动剂 DMB 直接修饰 Cys191，促进 GSDMD 孔形成和细胞焦亡，且无需 GSDMD 切割，可诱导强大的抗肿瘤免疫，同时毒性极小。
除了直接结合 Cys191/192 位点，LDC7559 和无药茶多酚纳米颗粒（TPNs）等抑制剂靶向 GSDMD-N 的活性和寡聚化，可提高败血症模型中的生存率，减轻体温过低并保护器官功能。石榴来源的多酚 punicalagin 通过破坏膜流动性，抑制 GSDMD-NT 插入膜内。新发现的 GSDMD-Arg7 靶点也为 GSDMD 抑制提供了新方向，抑制剂 GI-Y1 通过结合该位点阻止 GSDMD-N 在膜上的聚集，阻断细胞焦亡孔形成，在心脏疾病治疗方面展现出潜力。尽管 GSDMD 抑制剂的研发取得了显著进展，但目前尚无相关抑制剂进入临床试验，这表明该领域仍需进一步研究和开发，也凸显了靶向 GSDMD 药物的巨大治疗潜力。
- 药物递送制剂：目前针对 GSDMD 的制剂研究主要集中在利用纳米医学抑制 GSDMD 信号通路，以提高药物生物利用度并减少不良反应。例如，TPNs 通过抑制 GSDMD 寡聚化，减轻败血症诱导的损伤。然而，大多数 GSDMD 纳米药物并非直接靶向 GSDMD 蛋白，而是聚焦于抑制其信号通路。苏等人开发的碳酸酐酶 IX（CAIX）锚定的铼（I）光敏剂（CA-Re），不仅能在缺氧条件下实现 I 型和 II 型光动力治疗（PDT），还能触发 GSDMD 介导的细胞焦亡，增强肿瘤免疫原性。李等人制备的磷脂包被柠檬酸钠纳米颗粒（PSCT NPs）在肿瘤细胞内溶解，释放大量柠檬酸盐和 Na?，激活 caspase-1-GSDMD 和 caspase-8-Gasdemin C（GSDMC）通路，协同诱导强烈的细胞焦亡，引发显著的抗肿瘤免疫反应，抑制肿瘤生长。杨等人设计的肿瘤靶向纳米颗粒（CSHAP@ATO NPs），通过加载阿托伐他汀（ATO）到硫酸软骨素修饰的羟基磷灰石纳米颗粒（CS-HAP）上，通过 NLRP3-caspase-1-GSDMD 途径介导炎症损伤。ZIF-8 纳米颗粒通过 caspase-1-GSDMD 依赖途径诱导细胞焦亡，触发肿瘤免疫反应，重塑肿瘤免疫抑制微环境（TME），有效抑制肿瘤生长。宋等人发现的 2D NiCoOx 纳米片通过诱导 ROS-NLRP3-GSDMD 途径增强细胞焦亡和抗癌活性。周等人开发的 PG@Cu 纳米颗粒通过抑制 GSDMD 寡聚化和 NLRP3 激活，减少 NOD 样受体激活。此外，银（Ag）基抗菌纳米颗粒可刺激肺部微生物 DNA 泄漏，招募 caspase-1，促进促炎细胞因子释放，激活 GSDMD，导致严重的肺部炎症。
除了纳米医学，细胞外囊泡（EVs）在递送生物活性分子改变受体细胞表型方面也展现出潜力。通过基因工程改造间充质干细胞（MSCs）构建的 cavin-2 修饰的 EVs，在 TNF-α 处理的髓核细胞（NPCs）中摄取增加，在三维水凝胶培养模型中有效改善 NPC 细胞焦亡，延缓椎间盘退变（IDD）的进展。虽然研究表明纳米载体或靶向递送系统可显著提高药物疗效，但目前 GSDMD 纳米药物在功能上仍存在局限性，未能充分考虑 GSDMD 在疾病中的时空动态变化。未来的制剂策略可包括超声辅助治疗、近红外光和磁场控制的纳米药物释放平台，以及金属离子和 pH 响应系统，以开发 GSDMD 的缓释和控释制剂。此外，嵌合抗原受体 T 细胞免疫疗法（CAR-T）技术的应用为 GSDMD 抑制剂的开发提供了新的可能性。
结论与展望
GSDMD 在表达、功能和机制方面存在显著的组织和细胞异质性。在稳态条件下，GSDMD 在多种组织和细胞类型中广泛表达，具有特定的空间分布和亚型特异性。在非肿瘤疾病中，GSDMD 表达升高会加剧组织炎症；在肿瘤疾病中，其表达模式更为复杂，可能受肿瘤微环境影响，但目前驱动这些变化的转录机制尚不清楚。
GSDMD 在不同疾病中发挥多样的功能。在非肿瘤疾病中，它主要通过释放促炎细胞因子介导炎症反应，加重组织损伤，但在结肠炎等疾病中也具有保护作用。在肿瘤疾病中，GSDMD 的功能具有矛盾性，根据具体情况可能促进或抑制肿瘤进展。尽管存在这些复杂性，GSDMD 作为炎症相关疾病和癌症的治疗靶点具有重要潜力，开发 GSDMD 抑制剂具有广泛的应用前景。
为了系统揭示 GSDMD 的治疗潜力，本文从结构生物学、细胞生物学和分子生物学等角度探讨了 GSDMD 介导疾病的机制。虽然目前已经解析了全长 GSDMD、GSDMD-N、GSDMD-C、GSDMD 孔和 GSDMD-caspase 复合物的晶体结构，但这些静态构象无法解释 GSDMD 在病理条件下可能发生的构象变化。此外，GSDMD 在不同细胞类型中的表达和机制存在差异，其空间构象是否受细胞异质性影响尚不确定，进一步的结构研究有助于阐明其机制，为开发特异性抑制剂提供理论基础。
GSDMD 的细胞和分子机制主要涉及激活和切割、在细胞膜上的聚集、孔形成、促炎细胞因子释放和诱导细胞焦亡。然而，GSDMD 信号通路在不同病理微环境和细胞类型中存在显著差异，表现为切割位点的多样性（如人巨噬细胞中 caspases-1、4、5 和 11 在 Asp275 位点切割 GSDMD，而中性粒细胞中组织蛋白酶 G 在 Cys268 位点切割）和机制的复杂性（如在 MI 中，中性粒细胞 GSDMD 不通过形成孔道介导 IL-1β 释放，而是通过自噬诱导释放，挑战了经典的细胞焦亡概念）。
尽管对 GSDMD 机制的理解取得了一定进展，但仍存在关键局限性。在亚细胞水平的研究不足，例如在败血症和动脉粥样硬化中，巨噬细胞通过 caspase-1-GSDMD 途径释放促炎细胞因子引发细胞焦亡，但巨噬细胞亚型（如 M1 和 M2）在 GSDMD 介导机制中的功能差异尚未得到充分探索。缺乏动态研究，虽然 GSDMD 表达在疾病进展过程中具有时空依赖性，但对其在特定疾病中的动态变化缺乏系统研究，如在 MI 中，caspase-1 和 caspase-11 途径之间的相互作用仍未明确。机制理解不完整，在缺血 - 再灌注损伤中，caspase-11 途径介导心肌细胞焦亡，但激活心肌细胞中 caspase-11 的具体触发因素尚不清楚。
目前，多种 GSDMD 抑制剂处于临床前研究阶段，但尚未进入临床试验。这凸显了进一步研究 GSDMD 抑制剂的重要性，其在治疗开发方面具有巨大潜力。未来的治疗策略应谨慎考虑治疗窗口、选择性和安全性等因素。随着对 GSDMD 表达、功能和机制的深入理解，以及其作为治疗靶点潜力的逐渐明晰，靶向 GSDMD 的新型药物和疗法有望彻底改变相关疾病的治疗方案。
