Nature Immunology|蛋白酶诱导肺上皮细胞释放IL-33的分子机制

2022年7月6日，国际学术期刊Nature Immunology在线发表了由中科院分子细胞科学卓越创新中心，孙兵研究团队和广东医科大学附属医院吴斌院长研究团队的合作研究成果“Allergen proteases-activated stress granules assembly and Gsdmd fragmentation control IL-33 secretion”。该研究揭示了在肺部二型免疫反应过程中，来自过敏原中的蛋白酶诱导肺上皮细胞释放IL-33的分子机制。蛋白酶可以激活上皮细胞中的起始因子2α (eIF2α)的磷酸化和促进应激颗粒(SGs)的组装，进而帮助细胞胞核中的IL-33向细胞质内转运。同时，过敏原蛋白酶可以诱导肺上皮细胞内Gasdermin D (Gsdmd)在 N端发生剪切，形成p40功能片段。p40可以在细胞膜上形成孔道直接促进细胞质中的IL-33释放到细胞外。该项研究填补了IL-33如何从细胞核转运到细胞外的空白，揭示了IL-33在无细胞死亡发生的情况下，如何响应过敏原蛋白酶刺激从而从非上皮细胞核释放到细胞外的关键过程，这一过程受到了应急颗粒组装和Gsdmd活化的双重有序调控。这两种机制共同高效地调控着细胞核内IL-33的分泌，为干预气道有IL-33所驱动的过敏性疾病提出了新的治疗策略。

呼吸道过敏性疾病如哮喘、花粉热(过敏性鼻炎)等是困扰全世界数百万人的常见疾病，其发病率在中高等发达国家中呈上升趋势，发病率成人为人群的1/12，儿童为1/10。当患者暴露于过敏原，比如尘螨、霉菌、细菌、植物花粉和动物皮屑等，这些疾病通常会加剧并恶化，疾病呈现出季节性，显著受外界环境过敏原的影响。过敏原中的蛋白酶成分是重要致病因子。多种过敏原，包括尘螨（HDM），烟曲霉菌真菌（Aspergillus fumigatus）和地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）中的丝氨酸蛋白酶和半胱氨酸蛋白酶，被报道可高效的在体内外诱导白细胞介素(IL)-33的释放。IL-33是一种组成性表达在肺上皮细胞核中的炎症因子。它可快速响应环境损伤和应激刺激，从细胞核释放到细胞外，作用ILC2细胞和Th2细胞，进而引发过敏性炎症反应。其在诱导哮喘和肺部炎症性疾病中发挥有关键性作用。一般认为，只有当肺上皮细胞损伤后，胞核中的IL-33才能从细胞核释放到细胞外发挥致病作用。有关IL-33在炎症发生过程中被释放的具体机制知之甚少，它是领域内亟待解决的一个重要科学问题。

研究人员建立了多种过敏原蛋白酶诱导的小鼠模型和人肺上皮细胞释放IL-33的急性模型。通过体外研究，发现IL-33可以在30min内快速响应多种过敏原的刺激，被释放到细胞外。此过程伴随着Gsdmd蛋白的活化，即在其N-端发生剪切和形成p40功能片段，但这一过程并不伴随有明显的细胞死亡现象。P40片段的产生高度依赖于过敏原中的蛋白酶活性（图1）。在巨噬细胞中也存在同样的现象，敲除巨噬细胞中的Gsdmd可以显著抑制有过敏原所诱导的IL-33的释放。Gsdmd p40片段的形成和IL-33的释放，与经典caspase1/11所诱导的炎症反应不同，它是一种新的Gsdmd的剪切活化方式，其可以高效地调控细胞内IL-33的释放。

图1.多种过敏原的蛋白酶可以诱导肺上皮细胞中Gsdmd-p40片段的形成和IL-33的释放。

在IL-33从细胞核和转运到细胞质的机制研究中，研究人员发现过敏原的蛋白酶可以快速诱导细胞的应急颗粒（Stress granules）组装。当应激颗粒的主要蛋白G3BP1与IL-33相互作用后，可以促进IL-33从细胞核向细胞质内转移（图3）。值得注意的是，进入细胞质的IL-33并不能直接被释放到细胞外，它需要借助Gsdmd p40所产生的细胞膜孔道才能被释放到细胞外。实验观察到，多种过敏原的蛋白酶都可以诱导应急颗粒的组装。在小鼠体内，Gsdmd蛋白在HDM诱导的小鼠模型中，在肺部组织中表达明显升高。在Gsdmd基因敲除的小鼠，可以有效的抑制HDM和木瓜蛋白酶（Papain）所诱导肺组织损伤。在哮喘病人中，作者观察到Gsdmd在肺部组织中表达的升高与肺灌洗液中的IL-33水平的升高和血液中的IgE的水平升高呈正相关（图4）。这提示通过靶向Gsdmd蛋白，抑制p40片段的形成可以做为抑制二型免疫细胞应答的新策略。

图3.过敏原蛋白酶诱导的G3BP1聚点以及IL-33的核质转移。

图4. 哮喘病人肺组织中GSDMD表达升高且与灌洗液IL-33、血液IgE成正相关。

分子细胞卓越中心陈雯、陈双凤、闫成花、张亚光、张荣华博士和广东医科大学附属医院陈敏为该论文共同第一作者，分子细胞卓越中心孙兵研究员、广东医科大学附属医院吴斌院长、吴东主任副医师以及张亚光副研究员为该论文共同通讯作者。感谢分子细胞卓越中心公共技术服务中心动物实验技术平台、化学生物学平台、细胞生物学平台和分子生物学平台的大力支持。该项研究工作得到了国家自然科学基金、科技部资助项目、上海市科技创新行动项目等经费资助。