Science丨科学家发现对抗焦亡的膜修复分子机器

撰文丨tac.G

责编丨迦溆

细胞焦亡（Pyroptosis）是细胞在受到炎症感染或病理性损伤后发生的细胞死亡，由Gasdermin家族蛋白介导，并常常伴有炎性因子的活化。近年研究已明确焦亡通路的关键分子：巨噬细胞在发生炎症时可经经典和非经典的炎症小体通路完成对炎症性Caspase（Caspase-1/4/5/11）的活化，炎症性Caspase和部分凋亡Caspase可以通过水解GSDMD等Gasdermin家族蛋白释放其N端活性结构域，进而形成寡聚体在质膜打孔，引起细胞膜破裂【1】。（重点推荐！Science+PNAS更新认识，赋予Caspase-8参与细胞焦亡过程的新功能——邵峰点评）

焦亡Pyroptosis的命名起源于希腊语，将“pyro-”（意为fire），结合-ptosis词根，组合而成命名为“Pyroptosis”。因GSDMD引起的细胞焦亡是极为迅速的细胞死亡模式，且Caspase-1参与的炎症小体的活化有着快激活快失活的特性，使细胞焦亡一直有着“燎原之势”难以控制。目前针对脓毒症及相关疾病的研究主要在寻找Caspase-1及GSDMD的小分子抑制剂，试图阻断焦亡下游通路减少脓毒症的病理损害。但对于逆转或部分挽救焦亡通路的研究仍不多。

前不久，Science在线发表了瑞士巴塞尔大学Petr Broz课题组题为ESCRT-dependent membrane repair negatively regulates pyroptosis downstream of GSDMD activation的研究。该研究发现：细胞内ESCRT系统（endosomal sorting complexes required for transport，转运必需内体分选复合物）在GSDMD引起焦亡过程中可发挥修复膜孔的作用，减少焦亡和IL-1β的释放。

转运必需内体分选复合物（endosomal sorting complex required for transport, ESCRT）系统是真核细胞中完成内体（endosome）膜内陷以形成多囊泡体（multi-vesicular body, MVB）的分子机器，其主要包括ESCRT-0/Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ和Vps4-Vta1共5个蛋白蛋白复合物。近年来研究发现其受Ca²⁺内流调控，通过CHMP4B等分子收缩破损处质膜，完成修复【2-4】。现已明确其可参与坏死性凋亡（Necroptosis）的下游过程，减少细胞死亡【5】。

研究人员首先用Fluo-8标记Ca²⁺，发现WT BMDM细胞（Bone marrow-derived macrophage）在焦亡发生中可有明显的Fluo-8峰值，而Casp11-/-或Gsdmd-/- BMDM及未发生焦亡的WT BMDM均未发现Fluo-8峰值，即未发生内流。研究人员进一步使用Ca²⁺螯合剂BAPTA-AM和EDTA降低胞外Ca²⁺流动，此时胞膜修复过程被阻断，细胞死亡增加。

研究人员将ESCRT系统中CHMP4B与GFP融合，发现其在焦亡过程中形成点状聚集（puncta），并可定位于质膜，而添加Ca²⁺螯合剂后明显减少CHMP4B-GFP聚集。而将CHMP4B-mCherry与GSDMD-GFP同时表达后，可发现GSDMD可定位于膜周CHMP4B形成的点状聚集中。同时，研究人员发现抑制ESCRT系统后没有影响GSDMD活化，说明其仅仅针对焦亡的下游进行膜修复过程对抗细胞死亡。

ESCRT在细胞内含有Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ三种系统，研究人员随后利用显性抑制的ESCRT-Ⅲ系统蛋白突变体（VPS4A^E228Q和CHMP3^1-179）对ESCRT-Ⅲ进行失活处理，发现失活后可明显影响膜修复功能，并增加IL-1的释放。但敲除了ESCRT-Ⅰ/Ⅱ系统的ALG2 和ALIX则没有影响焦亡。

此外，作者也发现，ESCRT系统也可参与胞质内内体和溶酶体膜的修复，减少被吞噬的细菌暴露于胞质内，该作用也可在一定程度上减少炎症小体的活化。

该研究向我们展示了ESCRT系统抑制焦亡发生的重要调控作用，同时该研究也发现，ESCRT除对抗GSDMD发挥抑制凋亡的作用，其仍有可能通过调节K+外流等途径控制炎症小体活化。这为脓毒症等炎症性疾病治疗提供了新的思路。

原文链接：http://science.sciencemag.org/content/362/6417/956

参考文献

1. Ding J, Shao F. SnapShot: The Noncanonical Inflammasome. Cell 2017;168(3):544-44 e1.

2. Andrews NW, Almeida PE, Corrotte M. Damage control: cellular mechanisms of plasma membrane repair. Trends in cell biology 2014;24(12):734-42.

3. Jimenez AJ, Maiuri P, Lafaurie-Janvore J, Divoux S, Piel M, Perez F. ESCRT machinery is required for plasma membrane repair. Science 2014;343(6174):1247136.

4. Scheffer LL, Sreetama SC, Sharma N, Medikayala S, Brown KJ, Defour A, et al. Mechanism of Ca(2)(+)-triggered ESCRT assembly and regulation of cell membrane repair. Nature communications 2014;5:5646.

5. Gong YN, Guy C, Olauson H, Becker JU, Yang M, Fitzgerald P, et al. ESCRT-III Acts Downstream of MLKL to Regulate Necroptotic Cell Death and Its Consequences. Cell 2017;169(2):286-300 e16.