一種新的細(xì)胞程序性死亡——細(xì)胞焦亡
細(xì)胞焦亡(Pyroptosis),又稱細(xì)胞炎性壞死,是一種新近發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞程序性死亡方式。表現(xiàn)為細(xì)胞不斷脹大直至細(xì)胞膜破裂,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物的釋放進(jìn)而激活強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)。細(xì)胞焦亡廣泛參與感染性疾病、神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病和動(dòng)脈粥樣硬化性疾病等的發(fā)生發(fā)展,對(duì)細(xì)胞焦亡的深入研究有助于為臨床防治提供新思路,近幾年,細(xì)胞焦亡的研究熱度迅猛上升,已成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。
2001年,Cookson和Brennan最早提出了細(xì)胞焦亡的概念,用來(lái)形容炎癥細(xì)胞中的一種依賴于Caspase 1的細(xì)胞死亡方式,這是一種完全不同于細(xì)胞凋亡的死亡方式。與細(xì)胞凋亡相比,細(xì)胞焦亡發(fā)生的更快,并伴有大量促炎因子釋放。那么,細(xì)胞焦亡發(fā)生的機(jī)制如何?研究細(xì)胞焦亡又會(huì)對(duì)生命科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)怎樣的意義呢?以下,我們從細(xì)胞焦亡發(fā)現(xiàn)的歷程逐漸闡明其發(fā)生的機(jī)制、原理及研究意義。
自自提出細(xì)胞焦亡概念的很長(zhǎng)一段時(shí)間,其機(jī)制一直沒(méi)有重要的進(jìn)展。直到2015年9月,由北京生命科學(xué)研究所邵峰團(tuán)隊(duì)在《Nature》在線發(fā)表“Cleavage of GSDMD by inflammatory caspases determines pyroptotic cell death”,該研究首次闡明細(xì)胞焦亡的關(guān)鍵分子機(jī)制。GSDMD屬于一個(gè)被稱為gasdermin的功能未知的蛋白家族,該家族還包括GSDMA,GSDMB,GSDMC,DFNA5,DFNB59等。研究發(fā)現(xiàn)GSDMD是所有炎性Caspases(包括:Caspase 1/4/5/11)的一個(gè)共有底物蛋白,這些炎性Caspases特異性的切割GSDMD兩個(gè)結(jié)構(gòu)域中間的連接區(qū)域,而凋亡相關(guān)的Caspases(Caspase 2/3/6/7/8/9/10)卻不能。在細(xì)胞中表達(dá)基因工程改造的GSDMD,可以使細(xì)胞在其它蛋白酶刺激下發(fā)生焦亡,甚至可以將細(xì)胞凋亡轉(zhuǎn)化為焦亡。這些結(jié)果證明GSDMD的N端結(jié)構(gòu)域具有誘發(fā)細(xì)胞焦亡的活性,GSDMD在被炎性Caspases切割后釋放出來(lái)的N端結(jié)構(gòu)域就足以引發(fā)細(xì)胞焦亡,GSDMD蛋白的切割對(duì)于炎性Caspases激活引發(fā)的細(xì)胞焦亡是必要且充分條件。
2016年6月,由王大成和邵峰院士合作于《Nature》在線發(fā)表“Pore-forming activity and structural autoinhibition of the gasdermin family”,研究證實(shí)GSDMD是炎性Csapases誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡的直接作用分子,首次揭示了gasdermin 家族蛋白的N端結(jié)構(gòu)域具有在膜上打孔進(jìn)而破壞細(xì)胞膜的功能。同年7月,來(lái)自波士頓兒童醫(yī)院細(xì)胞與分子醫(yī)學(xué)計(jì)劃的Judy Lieberman博士和Hao Wu博士在《Nature》在線發(fā)表“Inflammasome-activated gasdermin D causes pyroptosis by forming membrane pores”,該研究揭示了敗血癥和阻止細(xì)菌攻擊所需的終末細(xì)胞事件。研究證實(shí),炎性Caspases經(jīng)激活后切割GSDMD釋放出活性片段,即GSDMD-NT,GSDMD-NT在胞膜聚集形成電子顯微鏡可見(jiàn)的膜穿孔,從而快速殺死細(xì)胞,引發(fā)炎癥性壞死(即細(xì)胞焦亡)并釋放大量炎性因子,如:IL1b,IL18。同時(shí),體外研究結(jié)果表明GSDMD-NT可直接殺死宿主細(xì)胞外的細(xì)菌,為協(xié)助治療細(xì)菌感染提供了新思路,為敗血癥及自身免疫疾病的治療提供了理論基礎(chǔ)。
2017年5月,邵峰團(tuán)隊(duì)又一次在《Nature》在線發(fā)表“Chemotherapy drugs induce pyroptosis through caspase-3 cleavage of a Gasdermin”,研究發(fā)現(xiàn),和GSDMD類似,Caspase 3特異性切割活化的GSDME,可在膜上打孔并觸發(fā)細(xì)胞焦亡。以高表達(dá)GSDME的正常細(xì)胞和癌細(xì)胞作為研究對(duì)象,用化療藥物進(jìn)行處理,發(fā)現(xiàn)表達(dá)GSDME陽(yáng)性的細(xì)胞發(fā)生焦亡,并同時(shí)伴隨Caspase 3依賴的GSDME切割,而不表達(dá)GSDME的細(xì)胞則發(fā)生凋亡,并在GSDME陽(yáng)性細(xì)胞中用RNAi敲低GSDME表達(dá)后,化療藥物引起的細(xì)胞焦亡轉(zhuǎn)換為凋亡。該研究揭示了細(xì)胞焦亡向細(xì)胞凋亡轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵分子機(jī)制,并提示GSDME介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡很可能是化療藥物產(chǎn)生毒副作用的重要原因,為癌癥治療提供了新思路。
2020年2月,邵峰團(tuán)隊(duì)在《Cell》在線發(fā)表“Structural mechanism for GSDMD targeting by autoprocessed caspases in pyroptosis”,該研究在國(guó)際上首次完整地揭示了天然免疫應(yīng)答中Caspase精確地自剪切活化,進(jìn)而特異地識(shí)別和切割GSDMD,觸發(fā)細(xì)胞焦亡的分子機(jī)制。
(圖片來(lái)源:《Cell》雜志)
2020年3月,兩篇以細(xì)胞焦亡為研究熱點(diǎn)的文章同時(shí)發(fā)表于《Nature》,一篇是美國(guó)Judy Lieberman博士和張志斌博士研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表的“Gasdermin E suppresses tumor growth by activating anti-tumor immunity”,該研究揭示了腫瘤中GSDME通過(guò)增強(qiáng)腫瘤浸潤(rùn)性NK細(xì)胞和CD8+T細(xì)胞的抗腫瘤功能從而發(fā)揮抑瘤作用。另一篇是邵峰團(tuán)隊(duì)的“A bioorthogonal system reveals antitumour immune function of pyroptosis”,該研究揭示了少部分的腫瘤細(xì)胞發(fā)生焦亡,就足以有效調(diào)節(jié)腫瘤免疫微環(huán)境,進(jìn)而激活很強(qiáng)的T細(xì)胞介導(dǎo)的抗腫瘤免疫反應(yīng)。同年4月,邵峰團(tuán)隊(duì)在《Sceience》在線發(fā)表“Granzyme A from cytotoxic lymphocytes cleaves GSDMB to trigger pyroptosis in target cells”,該研究發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞毒性淋巴細(xì)胞殺傷靶細(xì)胞的過(guò)程中,細(xì)胞毒性淋巴細(xì)胞來(lái)源的Granzyme A切割GSDMB使其具有打孔活性,能夠特異地高效激活GSDMB蛋白,從而觸發(fā)靶細(xì)胞焦亡,該分子機(jī)制可以增強(qiáng)抗腫瘤免疫。以上研究為腫瘤免疫治療提供了新思路。
以下為部分細(xì)胞焦亡相關(guān)靶標(biāo):
蛋白名稱 | 云克隆核心貨號(hào) | 蛋白名稱 | 云克隆核心貨號(hào) |
GSDMA | E531 | GSDMB | E530 |
GSDMD | E529 | Granzyme A | A599 |
Caspase 1 | B592 | Caspase 3 | A626 |
Caspase 4 | B735 | Caspase 5 | A770 |
TNF-a | A133 | IL1b | A563 |
IL18 | A064 | IFN-y | A049 |
IFN-a | A033 | IFN-b | A222 |