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Nature | 丁璟珒与邵峰团队破解GSDMB可变剪接调控细胞焦亡活性的分子机理
北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院邵峰团队在2020年发现，细胞毒性淋巴细胞分泌的颗粒酶A(GZMA)特异地切割和活化靶细胞内gasdermin家族的成员GSDMB，通过GSDMB N端结构域的膜打孔活性引起靶细胞焦亡(1)。2021年一篇发表在Cell上的研究报道了痢疾杆菌感染的肠上皮细胞中GSDMB虽然能被GZMA切割活化，但GSDMB并没有引发细胞焦亡，而是通过其N端结构域直接在细菌细胞膜上打孔来杀菌，并且他们发现痢疾杆菌分泌的效应蛋白IpaH7.8能够介导GSDMB的泛素化降解，从而拮抗宿主的这种免疫防御机制(2)。而另一项研究则认为IpaH7.8能够在人体肠上皮细胞中识别和降解焦亡蛋白GSDMD从而逃逸宿主的天然免疫防御(3)。2022年发表在Cell的一项工作也没有检测到GSDMB N端结构域介导细胞焦亡的活性, 而认为全长的GSDMB蛋白具有调控肠上皮细胞增殖和迁移的功能，帮助肠上皮维持结构和修复损伤(4)。
本研究有效地解决了这些争议，成功地澄清了GSDMB没有细胞焦亡活性的错误认识，指出细胞中GSDMB不同亚型是研究GSDMB生理功能必需考虑的重要因素，首次破解了GSDMB通过转录水平的可变剪接调控细胞焦亡活性的精确分子机理
2023年3月29日，中国科学院生物物理研究所丁璟珒课题组与北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院邵峰团队的合作研究在Nature在线上发表了题为“Structural mechanisms for regulations of GSDMB pore-forming activity”的论文，破解了GSDMB可变剪接调控细胞焦亡活性的分子机理。
研究人员发现，效应蛋白IpaH7.8可以通过其N端的LRR结构域与焦亡蛋白GSDMB结合，并通过特异性识别GSDMB的N端膜打孔结构域介导GSDMB泛素化降解。同时，他们还成功解析了IpaH7.8 LRR结构域与GSDMB复合物的晶体结构，并首次揭示了GSDMB全长蛋白自抑制状态的结构特征。
除了GSDMB，IpaH7.8还能够结合另一种焦亡蛋白GSDMD，并介导其泛素化降解。这说明痢疾杆菌效应蛋白IpaH7.8可以特异性地拮抗宿主免疫防御。
与gasdermin家族的其它成员不同，GSDMB的编码基因在转录时会通过mRNA可变剪切产生不同的蛋白亚型。这些GSDMB亚型几乎具有相同的N端和C端结构域，并且都能够被IpaH7.8特异识别并降解。GSDMB不同亚型的序列差别主要来自由外显子6和7编码的连接区，导致它们在被GZMA切割后产生的膜打孔结构域具有不同的C末端序列。
研究人员惊讶地发现，GSDMB的不同亚型具有完全不同的膜打孔和细胞焦亡活性。通过解析GSDMB在脂质体膜上形成的分子孔道的高分辨率冷冻电镜三维结构，揭示了GSDMB的N端结构域如何识别酸性磷脂，并通过构象变化寡聚成孔的结构基础。此外，该研究还显示，6号外显子是GSDMB寡聚组装的不可或缺的结构元件。
这些新发现清晰地阐明了GSDMB不同亚型之间造成膜打孔和细胞焦亡活性不同的分子基础。之前两篇发表在Cell杂志的工作(2,4)采用了一种非经典可变剪接产生的GSDMB亚型(isoformU)，其在6号外显子前面的插入序列破坏了GSDMB的N端结构域寡聚成孔的能力，因此没有观察到GSDMB引起的细胞焦亡。
进一步的实验表明，在人体肠道原代上皮细胞中，具有细胞焦亡活性的GSDMB亚型占主要比例(超过70%)，而isoformU的转录水平极低(低于5%)。这表明，激活的GSDMB在感染时通过介导感染的细胞发生焦亡来实现免疫防御。
此外，研究还发现GSDMB不同亚型的转录表达水平在多种人体肿瘤细胞系中存在显著差异。同时，这些肿瘤细胞的GZMA激活细胞焦亡的能力与GSDMB具有焦亡活性亚型的转录水平高度相关。
这项研究工作清楚地揭示了痢疾杆菌效应蛋白IpaH7.8通过靶向膜打孔结构域的保守识别机制泛素化降解两种焦亡蛋白从而拮抗宿主的免疫防御，而细胞毒性淋巴细胞介导病原菌感染的靶细胞发生焦亡是一种重要的抗细菌免疫防御机制。
本研究还澄清了“GSDMB缺乏细胞焦亡活性”的错误认知，强调了细胞中GSDMB不同亚型的重要性，这是研究GSDMB生理功能必须考虑的因素。
参考文献
/references/
1. Zhou Z, He H, Wang K, et al. Granzyme A from cytotoxic lymphocytes cleaves GSDMB to trigger pyroptosis in target cells[J]. Science, 2020, 368(6494): eaaz7548.
2. Hansen J M, de Jong M F, Wu Q, et al. Pathogenic ubiquitination of GSDMB inhibits NK cell bactericidal functions[J]. Cell, 2021, 184(12): 3178-3191. e18.
3. Luchetti G, Roncaioli J L, Chavez R A, et al. Shigella ubiquitin ligase IpaH7. 8 targets gasdermin D for degradation to prevent pyroptosis and enable infection[J]. Cell host & microbe, 2021, 29(10): 1521-1530. e10.
4. Rana N, Privitera G, Kondolf H C, et al. GSDMB is increased in IBD and regulates epithelial restitution/repair independent of pyroptosis[J]. Cell, 2022, 185(2): 283-298. e17.
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05872-5
