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2017年5月1日,我所邵峰实验室在《Nature》杂志在线发表题为“Chemotherapy drugs induce pyroptosis through caspase-3 cleavage of a Gasdermin”的研究论文

发布时间:2017/05/09

2017年5月1日,我所邵峰实验室在《Nature》杂志在线发表题为“Chemotherapy drugs induce pyroptosis through caspase-3 cleavage of a Gasdermin”的研究论文。该文报道了caspase-3可以通过切割和活化GSDME (DFNA5)蛋白诱导细胞焦亡并进一步发现该焦亡通路是部分化疗药物产生毒副作用的重要原因之一。

细胞焦亡(pyroptosis)传统是指由caspase蛋白酶家族成员caspase-1介导的、发生在单细胞中的一种促炎性的程序性细胞死亡,但其性质和机制一直不清楚。邵峰实验室此前工作发现caspase-4/5/11,作为细菌内毒素(LPS)的胞内受体,在被LPS活化后也可诱导焦亡,并且这种焦亡很多非单细胞中也发生,是LPS导致脓毒症的关键机制(Shi et al., Nature 2014)。过去两年中,邵峰实验室还首次鉴定出了全新的GSDMD蛋白,该蛋白是caspase-1和caspase-4/5/11的共有底物,正常情况下处于自抑制状态,在被这些caspase切割后释放出其N端具有膜打孔活性的结构域,进而导致细胞胀大直至破裂(Shi et al., Nature 2015;Ding et al., Nature 2016)。这些工作表明GSDMD是caspase-1/4/5/11诱导细胞焦亡的执行者,也澄清了焦亡是一种细胞坏死的本质。更为重要的是GSDMD代表了一个Gasdermin蛋白家族,还包括GSDMA,GSDMB,GSDMC,DFNA5/GSDME和DFNB59,该家族的N端结构域均具有膜打孔和诱导焦亡的活性(Ding et al., Nature 2016)。因次,他们最近也将焦亡重新定义为由Gasdermin蛋白介导的一种程序性细胞坏死(Shi et al., TiBS 2017)。

邵峰实验室此前在研究GSDMD时发现,将GSDMD的caspase-1/4/11切割位点置换成caspase-3切割位点可以将TNFa诱导caspase-3活化引起的HeLa细胞凋亡转换为焦亡,在后续对照实验中,他们又意外发现在细胞中表达野生型的GSDME也同样可以将凋亡转换为焦亡。在分析蛋白序列后他们发现GSDME的N端和C端结构域之间有一个caspase-3切割位点,实验结果显示TNFa处理确实会导致GSDME的切割,如通过突变切割位点抑制caspase-3的作用,细胞则不再发生焦亡而恢复凋亡。在体外生化实验中,纯化的GSDME蛋白能被caspase-3特异性切割,且切割位点和细胞内一致,而切割效率显著高于已知的caspase-3底物。和GSDMD类似,caspase-3切割产生的GSDME的N端片段可以特异性结合4,5-二磷酸磷脂酰肌醇(PI(4,5)P2)并导致含有该磷脂的脂质体泄漏,负染电镜结果显示切割活化的GSDME可以在脂质体膜上打孔。这些结果说明GSDME是由caspase-3切割后活化,进而在膜上打孔并触发细胞焦亡。

进一步的研究发现,多数常用的(癌)细胞系均不表达GSDME,研究人员也只找到了人的神经母细胞瘤细胞SH-SY5Y和恶性黑色素瘤细胞MeWo表达高水平的内源GSDME。在这两株细胞中,他们用临床常用的、导致DNA损伤的化疗药物诱导caspase-3活化后,发现这两株细胞均以焦亡的方式死去,而不表达GSDME的Jurkat细胞,则和通常认知一样,发生经典的凋亡。后续的一系列细胞实验也证明了SH-SY5Y细胞在化疗药物作用下发生的焦亡正是由于caspase-3切割GSDME导致的。值得注意的是,邵峰团队在检测了NCI-60中的57株癌细胞后,发现其中只有不到1/10的细胞表达较高水平的GSDME,这和之前文献报道的GSDME的启动子在癌细胞中会发生甲基化而表达沉默一致。对于GSDME阳性的细胞,如非小细胞肺腺癌细胞NCI-H522,在用化疗药物处理后,表现和SH-SY5Y类似,发生GSDME依赖的细胞焦亡;同时,将不表达GSDME的癌细胞用DNA甲基化酶抑制剂地西他滨(临床用抗癌药物)处理,可以诱导GSDME表达,同时也使得细胞对传统化疗药物更敏感,更易发生坏死。

和癌细胞不同,很多正常细胞和组织有很高的GSDME表达。研究人员在检测了5株人源的正常原代细胞后,发现其中3株高表达GSDME。用化疗药物处理这些原代细胞后,GSDME阳性的细胞发生焦亡,同时伴随caspase-3依赖的GSDME切割;而不表达GSDME的细胞则发生凋亡。在GSDME阳性细胞中用RNAi敲低GSDME表达后,化疗药物引起的细胞焦亡则转换为凋亡。我们知道传统化疗药物在临床使用中会产生很大毒副作用,限制了其抗癌效果。而凋亡是一种“干净”的细胞死亡,如果化疗药物只是诱发凋亡的话,理论上不应产生很大的毒副作用。考虑到癌细胞基本不表达GSDME,而正常组织却表达,研究人员于是想到GSDME介导的焦亡很可能是化疗药物毒副作用的重要原因。为了验证这个想法,他们制备了Gsdme缺失的小鼠。当用化疗药物顺铂处理小鼠后,正常小鼠的肠道、脾脏和肺部均发生严重损伤,肠道和肺部也会有炎症反应、同时小鼠体重下降,而这些组织损伤在Gsdme缺失小鼠上均可得到明显缓解。这些结果也在5-氟尿嘧啶引起的小鼠肠道损伤及博莱霉素引起的肺部炎症模型上也得到了进一步验证。

该研究发现由Gasdermin家族蛋白GSDME介导的细胞焦亡很可能是传统化疗药物产生毒副作用的重要原因,为癌症治疗提供了新思路,这也是首次展示细胞焦亡在天然免疫之外的生理病理过程中发挥重要功能;同时该研究成果还发现caspase-3也可以(通过活化GSDME)诱导细胞坏死(焦亡),打破了caspase-3激活必然导致细胞凋亡的经典概念。

我所邵峰实验室研究生王玉鹏和高文青为本文共同第一作者;研究生史旭焱也对本文有重要贡献;该论文的其他作者还包括邵峰实验室的丁璟珒博士、刘旺、何华斌和王坤。邵峰博士为本文通讯作者。该研究由科技部国家重点研发计划,北京市政府北京学者计划,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。