邵峰院士又一力作,Science 研究揭示细胞毒性淋巴细胞诱发细胞焦亡全新机制-丁香学术-八卦帝

邵峰院士又一力作,Science 研究揭示细胞毒性淋巴细胞诱发细胞焦亡全新机制

丁香学术内地男星 2020-05-29 19:29:24 1989

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细胞焦亡（pyroptosis）是一种新的程序性细胞死亡方式，近年来被报道参与多种病理、生理性过程。相关领域的研究也越来越受到科学界的重视。其形态学特征，发生原理与调控机制与已知的程序性细胞死亡大有不同。此前，细胞焦亡的发生被证明与半胱天冬酶 - 1 (caspase-1) 以及 gasdermin （GSDM）蛋白家族导致的细胞膜穿孔息息相关。

图片来源：Science

2020 年 5 月 29 日，来自北京生命科学研究所的邵峰院士课题组在 Science 发表了题为 Granzyme A from cytotoxic lymphocytes cleaves GSDMB to trigger pyroptosis in target cells 的文章^[1]，首次揭示了细胞毒性淋巴细胞所分泌的颗粒酶 A（Granzyme A，GZMA）通过切割 Gasdermin B (GSDMB) 以诱发细胞焦亡的重要机制。

研究内容

图片来源：Science

细胞毒性 T 细胞 (Cytotoxic T lymphocytes ,CTLs) 和自然杀伤细胞 (natural killer cell，NK 细胞) 是最主要细胞毒性淋巴细胞种类。

通过在 HEK293T 细胞中表达了五种 GSDM 并与 NK 细胞进行共同培养，研究人员首先研究了诱发细胞焦亡的 Gasdermin 蛋白家族是否与 NK 细胞细胞毒性相关。尽管 NK 细胞仅出现了少量细胞死亡，研究人员发现过表达 GSDMB 的 HEK29T 细胞出现了明显的细胞焦亡特征，这一点在 HeLa 细胞和黑色素瘤细胞中也得到了验证，这些数据证明了 GSDMB 与 NK 细胞诱发的细胞焦亡有关。

进一步研究发现，半胱天冬酶抑制剂 zVAD 无法降低 GSDMB 所导致的细胞焦亡，但穿孔素抑制剂 EGTA 和颗粒酶抑制剂 DCI 都显著降低了 GSDMB 诱发的细胞焦亡，与此同时，研究人员还发现原本 47kDa 的 GSDMB 能够被切割为 30kDa 和 16kDa 的片段，而这种切割能被穿孔素抑制剂 EGTA 和颗粒酶抑制剂 DCI 所抑制。

这些数据证明了 GSDMB 诱发细胞焦亡的机制与经典的半胱天冬酶通路无关，而与细胞毒性颗粒产生的穿孔素和颗粒酶所介导的蛋白切割有关。

图片来源：Science

研究团队随后研究了不同颗粒酶对 GSDMB 的切割作用，并发现只有颗粒酶 A（Granzyme A，GZMA）能够切割 GSDMB 并产生相应片段，且 Lys244 为 GZMA 的主要切割位点。切割会暴露其导致细胞膜穿孔的区域，并诱发细胞焦亡。后续实验证明 GSDMB 切割产生的 C 端和 N 端片段需要在进入细胞质后才能产生诱导细胞焦亡的作用。

研究团队随后构建了双 GZMA 切割位点突变的 GSDMB 突变体 KK/AA。为了模拟生理学过程，研究人员在表达野生型和突变型 GSDMB 的 HEK293T 细胞质中使用穿孔素引入了 GZMA。结果显示，GZMA 进入细胞质后能显著诱导细胞焦亡，且这种细胞焦亡在突变型 GSDMB 中消失，这一点在与 NK 细胞共同培养的体系中也得到了重复。敲低 NK 细胞中的 GZMA 显著抑制了 HEK293T 中 GSDMB 的切割与细胞焦亡。

这些数据证明了 NK 细胞所诱发的细胞焦亡是通过 GZMA 在目标细胞中切割 GSDMB 来实现的。

图片来源：Science

由于 HEK293T 细胞实验使用的人工构建的 GSDMB 表达体系，不能反映真正生理病理学过程。研究人员随后在 39 种癌症细胞系中检测了 GSDMB 的表达，并在食道癌细胞系 OE19，直肠癌细胞系 SW837 与结直肠癌细胞系 SKCO1 中发现了较高水平的 GSDMB 表达。向三种细胞中转入 GZMA 后，三种细胞系都出现了明显的细胞焦亡特征与 GSDMB 切割。敲除或者敲低 GSDMB，以及 KK/AA 突变都能够显著降低 GZMA 诱发的癌细胞焦亡。进一步研究发现，干扰素 γ（Interferon-γ，IFN-γ）能显著提高 GZMA 或者 ΝΚ 细胞介导的细胞焦亡现象。抑制 GZMA 则能够降低 IFN-γ 诱发的细胞凋亡与 GSDMB 切割。随后的实验也证明 IFN-γ 能够提高 GSDMB 在目标细胞中的表达。

图片来源：Science

随后，研究人员在细胞毒性 Τ 细胞 (CTLs) 中重复了之前使用 ΝΚ 细胞进行的研究，并在 T 细胞诱发的细胞焦亡中观测到了同 NK 细胞类似的现象。意味着 CTLs 细胞和 NK 细胞介导的细胞焦亡都与 GZMA-GSDMB 通路有关。

图片来源：Science

最后，由于颗粒酶介导的细胞死亡与细胞毒性淋巴细胞的抗肿瘤作用关系紧密。研究人员随后验证了他们发现的 GZMA-GSDMB 通路是否能够影响肿瘤清除。在小鼠大肠癌模型，研究人员并没未发现 GSDMB KK/AA 突变型肿瘤的生长速度与野生型肿瘤之间有明显差别。由于 PD1 通路能够抑制 T 细胞识别目标细胞，研究人员随后使用了 PD1 抗体。在 PD1 抗体能够显著抑制野生型肿瘤生长的同时，PD1 抗体在 GSDMB KK/AA 突变型肿瘤中的抑制作用显著降低，说明 GZMA-GSDMB 通路可能在肿瘤免疫中起到重要的作用。

研究意义

图片来源：Science

该研究是细胞焦亡研究的顶尖学者 - 邵峰院士的又一力作。构建出了 CTL 细胞和 NK 细胞分泌的 GZMA 在通过穿孔素进入目标细胞后切割 GSDMB 产生能够诱发细胞膜穿孔的片段，最后导致细胞焦亡的完整机制。除此之外，研究团队还发现了 IFN-γ 在其中的调节作用。

研究对 GZMA-GSDMB 在肿瘤免疫中进行了初步的研究，也探讨了人体癌症样品中的 GSDMB 的表达，以及在一些肿瘤中和肿瘤周边组织发现了 GSDMB 表达的差异。这种差异和肿瘤的发生与生长有何关系？又能给免疫疗法带来怎样的启示？都值得更多的研究来探索。

延伸阅读

邵峰院士在细胞焦亡领域耕耘多年，近年来频频在多种细胞焦亡的机制研究上取得突破，并发表顶刊论文。

早在 2015 年，邵峰院士就在 Nature 上发表了题为 Cleavage of GSDMD by inflammatory caspases determines pyroptotic cell death 的研究^[2]， 揭示了半胱天冬酶家族通过切割 GSDMD 来诱发细胞焦亡的机制，发现了 GSDM 家族在细胞焦亡中的关键作用并重新定义了细胞焦亡的概念，开辟了一个全新的研究方向。

随后，邵峰院士与中国科学院大学王大成院士合力揭示了 GSDM 家族的三维结构，并研究了对应的细胞膜穿孔活性机制。该研究在 2016 年以 Pore-forming activity and structural autoinhibition of the gasdermin family 为题刊登在 Nature 之上^[3]。

2017 年 5 月 1 日，邵峰院士在 Nature 发表了题为 Chemotherapy drugs induce pyroptosis through caspase-3 cleavage of a gasdermin 的研究^[4]，报道了化疗药物如何通过 caspase-3 切割一种 GSDM 蛋白来诱发细胞焦亡的机制。

这三篇文章从最基础的 Gasdermin 蛋白家族的三维结构谈癌症化疗的细胞焦亡机制，回答了细胞焦亡研究领域中多个关键性的问题。本次发表在 Science 的论文也将细胞焦亡和时下火爆的免疫疗法联系到了一起，学术君衷心的希望相应研究能够增进人类对肿瘤免疫的理解并衍生出更加有效的疗法来帮助病患。