“雖然做生物資訊無法獲得諾貝爾獎，但獲得諾貝爾獎的路上，離不開生物資訊。”
——弗雷德裡克·桑格
生物資訊在科研領域的重要性不言而喻。尤其是複雜疾病的挖掘中，有著至關重要的作用。生物資訊的個性化、時效性、真實性，也直接影響著每位科研人工作成果的質量。有效的藉助生物資訊，可以做到“加速課題進度”、“全面保證真實”、“控制各項成本”。至今，生信的資料探勘已愈發受關注，對科研的積極影響也愈來愈大。
生信人團隊組建以來，利用生物資訊解決臨床問題、挖掘科研熱點。已積累了一定數量的案例及應用性較強的模組化思維。本文將圍繞細胞焦亡生信專題展開討論，同時希望各位關注生信的朋友們，多來探討。
自從邵峰院士在nature上發表關於細胞焦亡的新機制，在18年就有人基於國自然基金中標趨勢判斷細胞焦亡是下一個研究熱點。一轉眼三年了，從PubMed發文數量上來看，細胞焦亡確實越來越火熱（圖1）。但是，讓人比較費解的是，細胞焦亡相關的純生信分析文章三年來一篇都沒有。以生物資訊的資料探勘能力來看，這顯然是很不正常的。
圖1.PubMed細胞焦亡發文統計
探索原因
對比鐵死亡和m6A，為了瞭解細胞焦亡的反常現象，我們先找一個最直接最貼近資料的一個方式：直接去MSigDB資料庫一探究竟。
我們直接用“pyroptosis”作為關鍵字搜尋，發現有“GOBP_PYROPTOSIS”和“REACTOME_PYROPTOSIS”兩個結果，分別包含18和27個基因（兩者交集和並集情況分別為5和40）。
結合搜尋結果，我們先到gene ontology資料檢視具體情況。同樣以“pyroptosis”為關鍵字進行檢索，可以發現有兩個GO Term：BP_PYROPTOSIS和CC_PYROPTOSOME COMPLEX。其中CC_PYROPTOSOME COMPLEX還沒有基因收錄，因此我們主要檢視BP_PYROPTOSIS的情況。
圖2.PYROPTOSIS Ancestor Chart
Gene ontology資料庫對細胞焦亡的定義為：一種依賴於caspase-1的細胞死亡子程式，與il -1 β和IL-18等熱原介質的產生相關。
從Ancestor Chart可以看到BP_PYROPTOSIS屬於程式性細胞死亡，並且包含兩個Child Terms，其中GO:0140639還未註釋（圖2）。從Annotations統計表（表1），我們可以直觀的看到，三年來沒有生信文章的可能原因：到21年6月份為止，大量的annotation從20年才開始出現。
表1.annotation terms
另一方面，我們到KEGG資料搜尋細胞焦亡通路，然而並沒有結果。 在REACTOME資料庫（圖3），
我們可以看到REACTOME_PYROPTOSIS的Literature References只有四篇，最早也是17年。
圖3.REACTOME
從現在的結果來看，調控的基因不足和研究背景缺乏可能是造成生信文章沒有出現的原因。
調控機制
既然提到研究背景，我們需要先了解細胞焦亡的分子機制。目前已知的細胞焦亡樣細胞死亡最早可以追溯到1986年的一份報道，作者表明使用LT處理原代小鼠巨噬細胞可誘導細胞死亡，並迅速釋放細胞內容物。2009年Nomenclature Committee on Cell Death（NCCD）詳細介紹了關於細胞死亡相關的術語，其中就包括了細胞焦亡“pyroptosis”。2012年NCCD在其他細胞死亡方式的初步定義中，定義了細胞焦亡：依賴於 caspase-1 的細胞死亡子程式。2018年NCCD更新了細胞死亡的分類（圖4），其中細胞焦亡定義為：一種嚴重依賴於gasdermin蛋白家族成員形成質膜孔的RCD，通常（但不總是）是炎症性caspase啟用的結果。
圖4.細胞死亡
結合17年邵峰院士發表的細胞焦亡綜述，我們可以看到細胞焦亡的分子機制。經典的炎性小體感測器檢測到不同的微生物訊號，透過ASC或者NLRC4受體啟用caspase1。Caspase4/5/11特異性的結合LPS。啟用caspase1和caspase4/5/11 會切割GSDMD在N-terminal gasdermin-N and C-terminal gasdermin-C domains間的連線，從而破壞兩個domain的自身抑制相互作用。釋放出來的gasdermin-N domain與質膜中磷酸肌醇結合並寡聚形成12-14nm的膜孔。膜孔的形成破壞了滲透潛能，導致了細胞膨脹和最終溶解。膜孔還能作為細胞外成熟的1L-1β釋放的出口（圖5）。
圖5.pyroptosis
細胞焦亡與疾病和腫瘤
已有研究發現酒精的蓄積是caspase-1的抑制劑，促進食管上皮細胞釋放IL-18和IL-1β，已證實與細胞焦亡有關。
細胞焦亡也與胃癌 (GC) 相關。GSDMD在GC細胞中的表達相對於鄰近的非癌細胞降低，促進了癌細胞的增殖。
NALP1/NLRP1蛋白是 NALP 家族蛋白之一，可誘導細胞凋亡和細胞焦亡。與鄰近的正常細胞相比，結直腸癌細胞中的 NALP1 mRNA 和蛋白質水平降低，而抗癌藥物 DAC（5-aza-2-deoxycytidine）可以提高 NALP1 的表達水平以抑制結直腸癌的進展。
在宮頸癌、乳腺癌等其他癌症中，細胞焦亡同樣發揮著重要的作用（表2）。
表2.細胞焦亡與癌症
這些證據表明細胞焦亡能夠有成為癌症診斷標誌物的潛力，有助於預防和治療癌症。
誘導癌細胞焦亡可用於癌症治療。
在某些情況下，細胞死亡無疑對人類健康有益，特別是對癌症治療。細胞焦亡作為一種細胞死亡，可以抑制癌症的發生和發展。一些研究表明，化療藥物、試劑、天然產物和靶向治療藥物可引發多種癌症的細胞焦亡（表3，圖6）。因此，焦亡將成為癌症治療的新靶點。
表3.細胞焦亡與藥物
圖6.藥物與細胞焦亡調節
化療藥物誘導的細胞焦亡具有抗癌作用：
化療藥物能夠透過啟用細胞焦亡引起細胞死亡，邵峰等人17年提出，doxorubicin, actinomycin-D, bleomycin and topotecan化療藥物能夠在肺癌NCI-H522細胞中透過caspase3裂解GSDME誘導細胞焦亡。最近的研究中，發現化療的順鉑和紫杉醇均透過caspase3/GSDME啟用來誘導細胞焦亡。這些研究為化療藥物暴露於癌細胞時，細胞焦亡的應用提供了理論基礎。
此外，與單一療法相比，化療與其他方式的組合更能夠有效地促進癌細胞的焦亡以刺激強烈的免疫反應以防止腫瘤發生。例如PLK1抑制劑能夠透過抑制DNA損傷修復和誘導Bax/caspase3/GSDME介導的細胞焦亡，使得食管鱗狀細胞癌對順鉑敏感。
非化療藥物誘導的細胞焦亡發揮抗癌作用：
高劑量的化療藥物可用於維持治療活性，但會引起不良反應，包括組織損傷和體重減輕。神藥二甲雙胍，能夠透過靶向miR-497/Proline-, glutamic acid- and leucine-rich protein-1 (PELP1)通路啟用GSDMD介導的細胞焦亡治療食管癌。化合物L61H10，在肺癌細胞中發揮抑癌作用，且無明顯副作用。這些研究為支援細胞焦亡作為分子靶向藥物消滅致癌基因成癮的腫瘤細胞新機制提供了思路。
細胞焦亡有關因素
體內腫瘤細胞焦亡的發生表明焦亡在調節腫瘤發生中的潛在作用。觸發癌細胞凋亡已被設計並應用於消除惡性細胞。由於腫瘤的特徵之一是逃避凋亡，因此誘導細胞焦亡在抗凋亡腫瘤的治療中尤為重要。基於炎症-癌症轉化和慢性炎症誘導細胞癌變的理論，細胞焦亡作為促炎性死亡的一種方式，可以形成適合腫瘤細胞生長的微環境。與細胞焦亡有關的因素具有促進和抑制腫瘤發生的雙重機制。進一步探索不同腫瘤細胞的焦亡機制，以及與訊號通路上下游相關的蛋白質，可以為相關腫瘤的治療提供新的思路。
最近的研究揭示了lncRNA在調節細胞焦亡方面的重要功能，透過對細胞焦亡訊號通路相關蛋白的直接或間接作用，lncRNA參與了心血管疾病、腎病、免疫疾病和其他疾病的病理過程。
此外，已有研究表明miR-214可以降低caspase-1的表達並抑制膠質瘤細胞的腫瘤增殖、遷移和侵襲，使用caspase-1 抑制劑後，腫瘤細胞的上述能力恢復，表明 miR-214 可以透過調節 caspase-1 誘導膠質瘤細胞焦亡，從而抑制腫瘤生長。
2020年的science文章指出，gasdermin 介導的細胞焦亡確立為一種細胞毒性淋巴細胞殺傷機制，可增強抗腫瘤免疫。2020年的兩篇nature文章表明，少量的腫瘤細胞發生焦亡，即可有效調節腫瘤免疫微環境，增強抗腫瘤免疫反應；以及腫瘤 GSDME 透過啟用細胞焦亡作為腫瘤抑制因子，增強抗腫瘤免疫。這些研究都為研究癌症與細胞焦亡提供了強有力的理論基礎。
總之，越來越多的證據表明細胞焦亡在腫瘤進展過程中具有雙重抗腫瘤和促腫瘤作用。隨著細胞焦亡在人類疾病多個領域的發展及其機制的逐步分析，焦亡與細胞凋亡和自噬類似，將對癌症的診斷和治療產生不可估量的影響。
總結
正如18年有人預測的一樣，細胞焦亡確實成為了現在的研究熱點。隨著研究的逐漸深入，細胞焦亡在接下來的時間裡，還會繼續火熱。透過對細胞焦亡關鍵基因和研究現狀的概覽，可以預見，未來的幾年，生信分析文章一定會出現，並且越來越多。細胞焦亡預後模型、細胞焦亡分子亞型、細胞焦亡多組學分析、細胞焦亡相關非編碼RNA都是可用的切入點。當然，細胞焦亡資料庫肯定也會出現。
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