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细胞焦亡是细胞程序性死亡中的一种,最早被发现参与免疫细胞抵抗病原菌感染过程。发生焦亡的免疫细胞细胞膜破裂,胞质内容物释放,进而引发更加强烈的免疫反应即炎症反应。细胞焦亡不仅在病原菌感染导致的炎症反应中发挥重要作用,而且在很多疾病如一些遗传性疾病、自身免疫性疾病以及癌症中都发挥了不可替代的作用。目前对细胞焦亡分子机制及其生理功能的研究已成为细胞死亡研究领域的前沿热点。然而不同于细胞凋亡,细胞焦亡从发现到后续机制研究几乎都在哺乳动物上展开,而不是从低等模式生物如线虫、果蝇和斑马鱼上揭示后,再迁移到哺乳动物上。因此低等动物上的细胞焦亡现象、分子机制和生理功能研究十分匮乏。细胞焦亡执行蛋白Gasdermin（GSDM）蛋白家族在低等动物中广泛存在,而低等动物GSDM蛋白家族成员却很少,往往仅存在一至两种,这与哺乳动物中的发现大相径庭。这些线索表明,低等动物的细胞焦亡信号通路与哺乳动物存在差别。鉴于此,本文选取硬骨鱼中的牙鲆、大菱鲆以及模式生物斑马鱼为主要研究对象,对其细胞焦亡信号通路进行解析,以管窥豹,探究低等动物细胞焦亡信号通路与哺乳动物上的异同。通过生物信息学、生物化学、细胞生物学和活体遗传操作等方法,我们揭示了牙鲆JfNLRP3炎症小体介导的细胞焦亡信号通路分子机制及其在抗感染中的意义,发现了同时参与经典及非经典炎症小体激活,拥有双向功能的大菱鲆SmCaspase介导的细胞焦亡信号通路分子机制及其在大菱鲆抵抗病原感染中的作用。同时,本文还在斑马鱼上揭示了斑马鱼焦亡执行蛋白GSDME同时被多种炎性和凋亡caspase蛋白切割活化的生化机制。在杀鱼爱德华氏菌侵染导致的牙鲆细胞焦亡模型中,本文发现经典炎症小体可能发挥重要作用。通过生物信息学筛查,本文找到了牙鲆中经典炎症小体上游信号分子JfNLRP3受体,证实了JfNLRP3炎症小体激活JfCaspase-1,活化后的JfCaspase-1切割JfGSDME引发细胞焦亡。在牙鲆活体水平上,通过敲降或过表达细胞焦亡信号通路上两个关键基因JfNLRP3和JfCaspase-1,本文考察了该信号通路在牙鲆抵抗杀鱼爱德华氏菌侵染过程中的作用。在大菱鲆细胞焦亡模型中,本文发现了非经典炎症小体在大菱鲆细胞焦亡中的决定性作用,揭示了大菱鲆SmCaspase蛋白一方面直接结合LPS而激活,另一方面与SmNLRP3和SmASC一起组成经典炎症小体而激活,激活后的SmCaspase切割SmGSDMEa和SmGSDMEb,并由SmGSDMEb的N端引发细胞焦亡。在大菱鲆活体上敲降SmNLRP3、SmCaspase和SmGSDMEb后,考察了细胞焦亡通路在大菱鲆抵抗病原菌侵染中的意义。在斑马鱼焦亡执行蛋白GSDME的激活机制探索中,通过表达纯化斑马鱼caspase蛋白以及GSDME蛋白并进行体外切割验证,本文揭示了炎性caspase蛋白caspase-19b、凋亡效应蛋白caspase-3a/b和caspase-7、凋亡引发蛋白caspase-8a/b切割活化斑马鱼GSDMEa/b的生化机制。在硬骨鱼细胞焦亡信号通路机制研究中,本文发现硬骨鱼这类低等脊椎动物的细胞焦亡信号通路与哺乳动物之间既有一定保守性又有很大差异性。在更低等的无脊椎动物中是否存在更多样的细胞焦亡机制值得探索。为此,本文对焦亡执行蛋白GSDM蛋白家族进行了进化溯源分析,揭示了 GSDM蛋白在低等动物中的分布,并且在原始无脊椎动物刺胞动物中找到了具有潜在细胞焦亡功能的GSDM蛋白。以此为线索,本文选取刺胞动物的代表物种水螅为研究对象,对原始无脊椎动物中细胞焦亡信号通路进行探索,揭示了原始无脊椎动物中细胞焦亡信号通路分子机制的保守性及多样性。在GSDM蛋白家族的溯源分析中,本文发现GSDM蛋白不仅存在于哺乳动物中,在低等动物中也广泛分布,而GSDM蛋白的最原始祖先是存在于扁盘动物（Placozoa）上的PJVK蛋白。与哺乳动物PJVK蛋白类似,Placozoa上的PJVK蛋白仅有250氨基酸,缺失C端自抑制结构域而被认为无法直接引发细胞焦亡。与扁盘动物关系最近的刺胞动物（Cnidaria）中则存在含有完整氮端和碳端结构域的GSDME蛋白以及PJVK蛋白,因而刺胞动物可能是最早具有细胞焦亡能力的物种。根据GSDM蛋白溯源分析提供的线索,本文以刺胞动物的代表物种水螅为研究对象,探究原始无脊椎动物的细胞焦亡分子机制。水螅GSDME氮端片段可以引发细胞焦亡,并且具有显著的杀菌能力。水螅中四种不同的凋亡相关caspase蛋白,即caspase-B蛋白、caspase-C蛋白、CardCaspase-1蛋白和CardCaspase-2蛋白,直接切割水螅GSDME,释放其活性氮端。使用凋亡诱导剂处理水螅细胞,观察到明显的细胞鼓泡、涨裂等细胞焦亡现象,并检测到了 GSDME蛋白的切割。这些结果证实,距今6.8亿年进化历史的原始无脊椎动物已经具有细胞焦亡能力,而且其细胞焦亡信号通路更加复杂。综上所述,本文揭示了硬骨鱼的的细胞焦亡信号通路分子机制并对细胞焦亡信号通路在一些物种上的生理功能进行了初步探索。在此基础上,本文通过进化溯源分析,对最早具有细胞焦亡功能的原始无脊椎动物细胞焦亡其信号通路进行了探索。本文的研究发现硬骨鱼和无脊椎动物在内的低等动物细胞焦亡信号通路既有保守性又存在丰富的多样性。在炎症小体介导的细胞焦亡通路中,低等动物与哺乳动物类似,但在某些物种如大菱鲆上又展现出一定的独特性,出现同一个caspase蛋白参与两条通路的情形。在焦亡执行蛋白的激活机制上,低等动物表现出更多的多样性,出现同一种GSDM蛋白同时被炎性和凋亡caspase切割活化,且切割位点一致的独特现象。在原始低等物种中,更出现了 GSDM蛋白无法直接被炎性caspase蛋白切割活化的独特现象。本文在低等动物细胞焦亡信号通路上揭示出的独特性,扩充了细胞焦亡信号通路分子机制研究,对哺乳动物细胞焦亡信号通路研究也提供了一定的参考。