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邵峰实验室解析细胞炎性坏死(细胞焦亡)的关键分子机制

发布时间:2015/09/17

    2015年9月16日,我所邵峰实验室在《Nature》杂志在线发表名为“Cleavage of GSDMD by inflammatory caspases determines pyroptotic cell death”的长文(article),解析细胞炎性坏死(细胞焦亡,pyroptosis)的关键分子机制。
    细胞炎性坏死或细胞焦亡是机体在感知病原微生物浸染后启动的免疫防御反应,在拮抗和清除病原感染以及内源危险信号中发挥重要作用。细胞焦亡本质上一种程序性细胞坏死;细胞膜形成孔洞,细胞逐渐膨胀至细胞膜破裂,最终导致大量细胞内容物释放,激活强烈的炎症反应。过度的细胞焦亡会诱发多种自身炎症性和自身免疫性疾病;最近也有研究显示艾滋病的发生也和细胞焦亡有关。细胞焦亡被认为由两种含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(caspase)介导,包括caspase-1和caspase-4/5/11。Caspase家族包括十多个成员,其中绝大部分都在细胞凋亡中发挥功能。Caspase-1和caspase-4/5/11则属于炎性caspase。事实上,caspase-1是最早被发现的caspase家族成员,早在上世纪90年代初就被发现可以诱导细胞死亡(一度被误认为是凋亡)。Caspase-1由一个被称为炎症小体(Inflammasome)的复合物在感知病原信号后激活,是细胞质天然免疫最为重要的通路之一。邵峰实验室在此前的研究中曾鉴定了多个感知病原细菌的天然免疫受体蛋白(Zhao et al., Nature 2011; Xu et al., Nature 2014),负责介导炎症小体组装和下游caspase-1的激活。在去年的研究中(Shi et al., Nature 2014),邵峰实验室还发现人的caspase-4/5和小鼠的caspase-11是细菌脂多糖(LPS,又称为内毒素)的胞内受体,在结合LPS后发生寡聚而活化,诱导细胞焦亡,在内毒素休克和革兰氏阴性细菌诱导的败血症中发挥至关重要的作用。然而,长期以来人们对caspase-1/4/5/11活化如何引发细胞焦亡的机制则完全不清楚。
    在这项最新的研究中,邵峰实验室的研究人员利用最新的CRISPR/Cas9基因组编辑技术,在小鼠的巨噬细胞中针对caspase-1 和caspase-11介导的细胞焦亡通路,分别进行了全基因组范围的遗传筛选,以寻找那些敲除后可以抑制细胞焦亡的基因。有意思的是,这两个筛选都鉴定到了一个名为GSDMD的、功能未知的蛋白。通过构建GSDMD基因敲除的小鼠巨噬细胞和人的HeLa细胞,他们进一步验证了GSDMD缺失可以完全抑制所有已知炎症小体和细菌LPS引起的细胞焦亡;并且在这些敲除的细胞中外源表达GSDMD都可以回复细胞焦亡的发生。有趣的是,GSDMD缺失并不抑制caspase-1本身的激活和对下游白介素1β的切割,但切割后成熟的白介素1β却几乎不能分泌到细胞外,显示细胞焦亡对于白介素1β的分泌必不可少,该结果也暗示GSDMD在炎性caspase的下游发挥作用。通过生物化学的研究,他们发现GSDMD是所有炎性caspase的共有底物,它们特异性的切割GSDMD两个结构域中间的连接区域,而凋亡相关的caspases却不具备该活性;将不能被caspase-1/4/5/11切割的GSDMD回补到GSDMD敲除的细胞也不能介导细胞焦亡发生,说明该切割对于细胞焦亡是必需的。值得注意的是,GSDMD在被炎性caspase切割后释放出来的的N端结构域其自身就足以引发细胞焦亡;在通常情况下,N端和C端结构域很强地相互作用,使得 GSDMD处于无活性的自抑制状态。在细胞中表达基因工程改造的GSDMD(在两个结构域中间插入其它蛋白酶位点或caspase-3/7的切割位点),可以使细胞在其它蛋白酶刺激下发生焦亡,甚至可以将细胞凋亡转化为焦亡。这些结果进一步证明GSDMD的N端结构域具有诱发细胞焦亡的活性。
    GSDMD属于一个被称为gasdermin的功能未知的蛋白家族,该家族还包括GSDMA,GSDMB,GSDMC,DFNA5,DFNB59等。邵峰实验室进一步研究发现,这些gasdermin蛋白的N端大都可以引发细胞焦亡;和GSDMD一样,在没有感染的情况下它们也是通过N端和C端的自抑制作用保持无活性状态。人的DFNA5和小鼠Gsdma3的提前终止突变(翻译出可以诱发细胞焦亡的片断)分别导致人类非综合征性耳聋(Nonsyndromic hearing impairment)和小鼠脱毛以及皮肤发炎等疾病,预示这些疾病都是由gasdermin蛋白引发非正常细胞焦亡所导致。有趣的是,除GSDMD外,其它的gasdermin蛋白都不能被炎性caspase切割,说明它们可能通过其它机制响应病原微生物感染,但最终也会通过启动细胞焦亡激活天然免疫反应。
    本研究首次发现了所有炎性caspase的一个共同底物蛋白GSDMD,并且证明该蛋白的切割对于炎性caspase激活引发的细胞焦亡既是必要的也是充分的,这也是首次揭示细胞焦亡和炎性坏死的关键分子机制,为多种自身炎症性疾病和内毒素诱导的败血症提供了一个全新的药物靶点。此外,该研究还首次鉴定了gasdermin家族蛋白诱导细胞焦亡的功能,进而重新定义了细胞焦亡的概念,并开辟了一个新的程序性细胞坏死的研究领域。
我所邵峰实验室2010级PTN项目研究生石建金和博士后赵越博士为本文共同第一作者;邵峰实验室的研究生王坤和毕业设计学生史旭焱也对本文有重要贡献;该论文的其他作者还包括我所转基因中心的王凤超博士、王悦和庄英华;高通量测序中心蔡涛博士和黄焕伟博士;邵峰博士为本文通讯作者。该研究由科技部973项目,北京市政府北京学者计划,国家自然科学基金委员会,中科院先导计划以及美国HHMI资助,在北京生命科学研究所完成。

 

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature15514.html