ピロプトーシス

ピロプトーシスは、細胞内病原体による感染時に最も頻繁に発生する、非常に炎症性の溶解性 プログラム細胞死であり、抗菌反応の一部を形成する可能性が高い。このプロセスは、細胞内複製ニッチを除去し、宿主の防御反応を強化することにより、さまざまな細菌、ウイルス、真菌、原生動物の感染の迅速な排除を促進する。ピロプトーシスは免疫細胞で発生する可能性があり、ケラチノサイトや一部の上皮細胞でも発生することが報告されている。^[1]

このプロセスは、細胞内の危険信号に応じてインフラマソーム（別名ピロプトソーム）と呼ばれる大きな超分子複合体が形成されることによって開始されます。 ^[2]インフラマソームは、アポトーシスと比較して異なるカスパーゼセットを活性化します。たとえば、ヒトではカスパーゼ-1/4/5、マウスではカスパーゼ-11です。^[3]これらのカスパーゼは、炎症誘発性サイトカインIL-1βとIL-18、および孔形成タンパク質ガスダーミンDの成熟と活性化に寄与します。孔の形成により細胞膜が破裂し、サイトカインや、HMGB-1、ATP、DNAなどのさまざまな損傷関連分子パターン（DAMP）分子が細胞外に放出されます。これらの分子はより多くの免疫細胞を動員し、組織内の炎症カスケードをさらに永続させます。^{[4] [5]}

しかし、病原性慢性疾患では、炎症反応は一次刺激を根絶しない。慢性的な炎症が起こり、最終的には組織損傷につながる。ピロプトーシスは、自己炎症性疾患、代謝性疾患、 心血管疾患、 がん、神経変性などの疾患と関連している。ピロプトーシスの例としては、サルモネラ菌に感染したマクロファージや、不完全感染したHIVヘルパーT細胞で誘発される細胞死などがある。^{[6] [7] [8]}

このタイプの本質的に炎症誘発性のプログラム細胞死は、2001年にワシントン大学の微生物学および臨床検査医学の准教授であるモリー・ブレナンとブラッド・T・クックソン博士によってピロトーシスと名付けられました。^[9]ギリシャ語のpyro は火を意味し、ptosis は落下を意味します。ピロトーシスの複合語は「燃えるような落下」と理解でき、死にゆく細胞からの炎症誘発性の化学シグナルの爆発を表しています。ピロトーシスは、他の形態の細胞死と比較して独特の形態とメカニズムを持っています。 ^[10]微生物感染がこの経路の主な進化圧力であったことが示唆されています。^[11]インフラマソームの形成は当初、ピロトーシスの誘導に必要であると考えられていましたが、2013年にカスパーゼ11依存性の非標準的な経路が発見され、リポ多糖類(LPS) がToll 様受容体 4 (TLR4)とは無関係にピロトーシスとそれに続く炎症反応を誘発できることが示唆されました。^[12] 2015年に、ガスデルミンD（GSDMD）は細胞膜に孔を形成するピロトーシスのエフェクターとして特定されました。^{[3] [13]} 2021年には、GSDMD孔の高解像度構造がクライオ電子顕微鏡（cryo-EM）によって解明されました。^{[14]また2021年には、} NINJ1という追加の分子がピロトーシス中の細胞膜破裂に必要であることがわかりました。^[15]

プログラム細胞死の一種であるピロトーシスは、アポトーシスと比較して多くの形態学的違いがある。ピロトーシスとアポトーシスはどちらもクロマチン凝縮を起こすが、アポトーシス中は核が複数のクロマチン体に分解されるのに対し、ピロトーシスでは核はそのまま残る。^[16]ピロトーシスを起こす細胞では、ガスデルミン孔が細胞膜上に形成され、水の流入が起こる。^{[1] [17]}

メカニズム的には、ピロトーシスは炎症性カスパーゼによって活性化され、ヒトではカスパーゼ1/4/5、マウスではカスパーゼ11が含まれる。カスパーゼ8は、状況依存的にインフラマソーム活性化の上流調節因子として作用する。^[18] カスパーゼ3の活性化は、アポトーシスとピロトーシスの両方で起こり得る。^{[1] [17]}

ピロプトーシスとネクロプトーシスはどちらも膜孔形成によって引き起こされますが、ピロプトーシスの方がより制御されています。ピロプトーシスを起こした細胞は膜のブレブ形成を示し、ピロプトーシス小体と呼ばれる突起を形成しますが、このプロセスはネクロプトーシスでは見られません。^[19]また、ネクロプトーシスはカスパーゼに依存しない方法で機能します。アポトーシス経路がブロックされると、ピロプトーシスとネクロプトーシスの両方が病原体に対する防御システムとして機能する可能性があると提案されています。

自然免疫系は、生殖系列でコード化されたパターン認識受容体（PRR）を使用することで、微生物感染時に広範囲の病原体関連分子パターン（PAMP）と損傷関連分子パターン（DAMP）を認識することができます。PRRの典型的な例としては、Toll様受容体（TLR）とNOD様受容体（NLR）があります。^{[20] PAMPとDAMPの認識は、多タンパク質複合体}インフラマソームの形成を誘発し、次にカスパーゼを活性化してピロトーシスを開始します。インフラマソーム経路は標準的なものと非標準的なものがあり、前者はカスパーゼ1活性化インフラマソームを使用し、後者は他のカスパーゼを使用します。^[21]

標準的なインフラマソーム経路では、PAMPとDAMPは特定の内因性PRRによって認識されます。たとえば、NLRタンパク質NLRC4はフラジェリンとタイプIII分泌システムの成分を認識できます。 ^[22] NLRP3は、さまざまなPAMPとDAMP刺激によって誘導される細胞イベントによって活性化されます。^{[23] AIM2（} melanoma 2に存在しない）やピリンなどの一部の非NLRタンパク質も活性化され、インフラマソームを形成します。^[21]また、TLR、NOD1、NOD2などのインフラマソームを形成しないPRRもピロプトーシスに重要な役割を果たしています。これらの受容体は、NF-κBおよびMAPKシグナル伝達経路を介して、IFN α/β、腫瘍壊死因子（TNF）、IL-6、IL-12などの炎症性サイトカインの発現をアップレギュレーションします。さらに、プロIL-1βとプロIL-18が放出され、システインを介したカスパーゼ1によって処理される。^{[24] [25]}

標準的なインフラマソームは、主にセンサータンパク質（PRR）、アダプター（ASC）、エフェクター（カスパーゼ-1）の3つの成分から構成されています。^[21]一般的に、インフラマソームを形成するNLRタンパク質は、いくつかのロイシンリッチリピート（LRR）ドメイン、中央のヌクレオチド結合およびオリゴマー化ドメイン（NBD）、およびN末端ピリンドメイン（PYD）という類似の構造を共有しています。例えば、NLRP3は、PYD-PYD相互作用を介してASCアダプタータンパク質をリクルートします。プロカスパーゼ-1とASCはどちらもカス​​パーゼ活性化およびリクルートドメイン（CARD）を含み、この同型のCARD-CARD相互作用により、プロカスパーゼ-1が自己触媒的に切断および再構成され、活性カスパーゼ-1が形成されます。^[26]あるいは、NLRC4はPYDの代わりにCARDを持っているため、プロカスパーゼ-1を直接リクルートすることができます。^[27]インフラマソームは、ピロプトーシスを誘導する複合体として形成されるだけでなく、PANオプトソームと呼ばれるより大きな細胞死誘導複合体の不可欠な構成要素となり、別の炎症性細胞死であるPANオプトーシスを誘導することもあります。

活性化カスパーゼ1は、プロIL-1βおよびプロIL-18の切断を担う。これらのサイトカインは、処理されると、生物学的に活性な形態となり、宿主細胞から放出される準備が整う。さらに、カスパーゼ1は細胞質ガスデルミンD（GSDMD）も切断する。GSDMDは切断されてN末端ドメイン（GSDMD-N）およびC末端ドメイン（GSDMD-C）を生成する。GSDMD-Nはオリゴマー化し、内径10～14 nmの膜貫通孔を形成することができる。^[28]この孔は、IL-1βおよびIL-18やさまざまな細胞質内容物を細胞外空間に分泌することを可能にし、また、細胞のイオン勾配を乱す。その結果生じる浸透圧の上昇により、水の流入が起こり、続いて細胞が膨張して破裂する。注目すべきことに、GSDMD-Nは切断前にGSDMD C末端ドメインによって自己阻害され、通常の状態では細胞溶解を防ぎます。^[29]また、GSDMD-Nは特定の脂質組成を持つ内膜にのみ挿入できるため、^[30]隣接細胞へのダメージが制限されます。GSDMDの下流では、NINJ1がピロプトーシス中の細胞膜破裂に必要であると考えられています。^[15]

非典型的なインフラマソーム経路は、グラム陰性細菌のリポ多糖（LPS）がヒトではカスパーゼ4/5に、マウスではカスパーゼ11に直接結合することによって開始されます。これらのカスパーゼへのLPSの結合は、それらのオリゴマー化と活性化を促進します。^[12]これらのカスパーゼはGSDMDを切断してGSDMD-Nを放出し、ピロトーシスを誘発します。さらに、膜透過性化時にカリウムイオンが流入するとNLRP3の活性化が誘発され、NLRP3インフラマソームの形成とカスパーゼ1の活性化につながります。^[21]これらのプロセスはGSDMDの切断を促進し、炎症性サイトカインの成熟と放出を促進します。

アポトーシスとピロトーシスを結びつける別の経路が最近提案された。アポトーシスの死刑執行カスパーゼであるカスパーゼ3は、ガスデルミンE（GSDME）を切断して、GSDMD切断と同様の方法でN末端フラグメントとC末端フラグメントを生成することができる。^[3]アポトーシス細胞がマクロファージによって清掃されない場合、GSDME発現はp53によって上方制御される。次に、GSDMEはカスパーゼ3によって活性化され、細胞膜に孔を形成する。また、GSDMEはミトコンドリア膜を透過させてシトクロムcを放出し、これがさらにカスパーゼ3を活性化してGSDME切断を加速させることもわかっている。^[31]この正のフィードバックループにより、プログラム細胞死が確実に進められる。

ピロプトーシスは、病的な炎症を誘発することで感染に対する防御機構として機能します。インフラマソームの形成とカスパーゼ 1 の活性により、病原体の解消と疾患のバランスが決まります。

健康な細胞では、カスパーゼ 1 の活性化は細胞死を誘導して病原体の増殖を制限することで、サルモネラ菌や赤痢菌による感染と戦うのに役立ちます。 ^[6]「危険」信号が感知されると、静止細胞が活性化されてピロプトーシスを起こし、炎症性サイトカイン IL-1β および IL-18 を生成します。IL-18 は IFNγ の産生を刺激し、T _H 1 反応の発達を開始します。(T _H 1 反応は、病原体の即時除去を指示するサイトカインを放出する傾向があります。) ^[32] 細胞の活性化はサイトカイン レベルの増加をもたらし、炎症の影響を増大させ、感染が進行するにつれて適応反応の発達に寄与します。最終的な解決は病原体を排除することです。

対照的に、持続的な炎症は過剰な免疫細胞を生み出し、それは有害である。増幅サイクルが持続すると、慢性炎症に関連する代謝障害、自己炎症性疾患、肝障害が発生する。^[32]

最近、ピロプトーシスとその下流経路が、重篤なCOVID-19関連疾患の治療の有望な標的として特定されました。^[33]

最近の研究では、ピロプトーシスが脳内出血の病態生理において役割を果たしており、ピロプトーシスを軽減することが脳内出血後の炎症反応を抑制する介入戦略となる可能性があることが示されています。^[34]

炎症に関連したプログラム細胞死であるピロプトーシスは、様々な種類の癌に幅広い影響を及ぼします。基本的に、ピロプトーシスは内因性DAMPの存在下で癌細胞を殺し、腫瘍の発達を阻害することができます。場合によっては、GSDMDは癌の予後マーカーとして使用できます。しかし、炎症体の長期にわたる生成は、腫瘍の成長に有利な微小環境の形成を促進する可能性があります。^[35]ピロプトーシスのメカニズムを理解し、ピロプトーシス関連分子を特定することは、さまざまな癌の治療に役立ちます。

胃癌細胞では、GSDMDの存在によりサイクリンA2 / CDK2複合体が阻害され、細胞周期が停止し、腫瘍の発達が抑制されます。また、胃癌細胞を特定の化学療法薬で治療すると、GSDMEの細胞濃度が増加します。その後、GSDMEはカスパーゼ3を活性化し、ピロプトーシス細胞死を引き起こします。^[17]

子宮頸がんはヒトパピローマウイルス（HPV）感染によって引き起こされる可能性がある。AIM2タンパク質は細胞質内のウイルスDNAを認識し、AIM2インフラマソームを形成し、それがカスパーゼ1依存性の標準的なピロプトーシス経路によって誘発される。HPV感染はサーチュイン1タンパク質の上方制御を引き起こし、AIM2の転写因子であるRelBを阻害する。サーチュイン1のノックダウンはAIM2発現を上方制御し、ピロプトーシスを誘発する。^[36]

NLRP3インフラマソームとカスパーゼ-1の発現レベルは、肥満や2型糖尿病（T2DM）などのいくつかの代謝症候群の重症度に直接関係しています。これは、インスリンの分泌を阻害するサイトカインであるIL-1βとIL-18のその後の産生レベルがカスパーゼ-1の活性によって影響を受けるためです。その後、グルコースの取り込みレベルが低下し、インスリン抵抗性と呼ばれる状態になります。^[37]この状態は、IL-1βによって引き起こされる膵臓β細胞の破壊によってさらに加速されます。^[38]

インフラマソームの遺伝子コードにおける変異は、クリオピリノパチーと呼ばれる自己炎症性疾患群を引き起こす。このグループには、マックル・ウェルズ症候群、寒冷自己炎症症候群、慢性乳児神経性皮膚関節症候群が含まれ、いずれも突然の発熱と局所的な炎症の症状を示す。^[39]このような症例で変異した遺伝子はNLRP3であり、インフラマソームの活性化を阻害し、IL-1βの過剰産生を引き起こす。この効果は「機能獲得」として知られている。^[40]

最近の研究では、カスパーゼ 1 を介したピロトーシスがHIVによる CD4 T 細胞の枯渇と炎症を引き起こすことが示されている[ ^{7] [41] [42] [43]} 。これら 2 つの特徴的なイベントは、HIV 疾患の進行をAIDSに促すものである。ピロトーシスは、細胞内複製ニッチを除去し、炎症誘発性サイトカインと内因性危険信号の放出を介して防御反応を強化することにより、宿主が感染を迅速に制限して除去する能力に寄与するが、HIV-1 によって引き起こされるような病原性炎症では、この有益な反応は主要な刺激を根絶しない。実際、死にゆく CD4 T 細胞が炎症シグナルを放出し、感染リンパ組織にさらに多くの細胞を引き寄せて死滅させ、慢性炎症と組織損傷を引き起こすという病原性の悪循環を作り出すようである。安全で効果的なカスパーゼ 1 阻害剤を使用すれば、この病原性のサイクルを断ち切ることができるかもしれない。これらの薬剤は、治療がウイルスではなく宿主を標的とする、HIV 感染者に対する新しくて刺激的な「抗エイズ」療法となる可能性がある。注目すべきことに、カスパーゼ1欠損マウスは正常に発達し^{[44] [45]、}このタンパク質の阻害はHIV患者にとって有害な治療効果ではなく有益な治療効果をもたらすと主張している。