Plos Pathogens 上兽研/上海交通大学丁铲团队揭示新城疫病毒通过钙波诱导肿瘤细胞死亡新机制

近日，中国农科院上海兽医研究所/上海交通大学丁铲研究团队在《PLoS Pathogens》上发表了题为“Newcastle disease virus infection induces parthanatos in tumor cells via calcium waves”的研究型论文。该研究揭示了新城疫病毒（NDV）通过诱导细胞内游离钙离子（Ca2+）升高导致线粒体氧化应激和功能损伤，造成线粒体膜通透转换孔（mPTP）开放，介导线粒体凋亡诱导因子（AIF）的释放并入核，触发细胞发生非Caspase依赖的帕特农死亡（Parthanatos）。该研究深化了对Ca2+在病毒感染进程中信使作用的认知，从功能离子组学角度对病毒诱导细胞死亡发生机制解析提供了新的见解。

细胞死亡是生命现象不可逆停止及生命的结束，正常的组织中经常发生细胞死亡，是维持组织机能和形态所必须的。细胞死亡的原因和类型很多，包括病毒在内的一切损伤因子只要作用达到一定强度或持续一定时间，导致受损组织的代谢完全停止，则会引起细胞、组织的死亡。帕特农死亡（Parthanatos）是根据PAR（PARP1酶催化产物—多聚ADP-核糖）和thanatos（希腊语死亡之神）加以组合而命名。有关帕特农死亡信号通路说法尚不统一，目前主流观点认为Parthanatos的特征是PARP1过度激活、PAR聚合物积累、线粒体去极化和AIF的核易位、染色质凝聚、产生大量片断化DNA（20-50 kb）。简单来说，就是引起DNA损伤的化学物质或氧化应激产物损伤DNA的时候，造成PAR产物的聚集，并进一步引起AIF从线粒体释放并携带巨噬细胞迁移抑制因子（MIF）去细胞核，最终剪切染色体DNA，执行细胞死亡任务。

细胞凋亡是一个程序性细胞死亡的过程，受到一系列复杂途径的严格调控，被认为是一种自杀行为，旨在消除不需要的和潜在危险的细胞。细胞凋亡既可以通过细胞死亡受体介导的外源性途径启动，也可以通过与线粒体功能障碍相关的内在途径启动。半胱氨天冬氨酸蛋白水解酶家族（Caspase）在细胞凋亡过程中起着重要调控作用，它们可被内源性和外源性凋亡信号激活启动凋亡的发生。此外，一些定位于线粒体内调控细胞死亡的因子如AIF和内切酶G （Endo G）等分子，当线粒体损伤被释放出来后，可以不依赖Caspase诱导DNA损伤和断裂，从而在细胞凋亡发挥调节作用。该研究发现NDV感染可以诱导AIF从线粒体释放并被转移至细胞核触发Caspase非依赖的Parthanatos发生。

线粒体作为细胞的关键缓冲细胞器，在胞内Ca2+积累和过载的情况下触发细胞死亡中起关键作用。研究结果显示NDV感染导致线粒体病理性Ca2+大量积聚，且这些钙离子主要来自于细胞钙库—内质网的钙波急性释放。NDV的感染增加了内质网和线粒体的空间接触，为钙离子转移创造了条件。线粒体过量积累的钙离子导致线粒体氧化应激、结构损伤和功能丧失，促进了AIF从线粒体释放，造成DNA断裂、细胞死亡。

研究还发现，和钙信号一样，ROS作为氧化应激的产物在细胞凋亡进程中也起到了关键作用。因此，作者想继续探究NDV感染期间ROS和Ca2+之间的潜在关系。结果表明，细胞内Ca2+的增加有助于在NDV感染诱导的的ROS的积累，用ROS清除剂NAC治疗，能够显著降低NDV诱导的细胞质和线粒体Ca2+的升高。这些结果强调了ROS的产生在与NDV感染相关的线粒体氧化损伤中的作用。NDV通过诱导细胞氧化应激产生ROS促进了内质网Ca2+的释放，线粒体钙超载进一步加剧ROS的产生，从而形成恶性反馈循环，最终触发细胞死亡。

总之，该项研究发现了Ca2+和ROS通过Ca2+-线粒体-ROS信号轴介导NDV诱导的AIF依赖性的细胞凋亡发生的调控机制。具体来说，NDV通过促进Ca2+积累和过量ROS产生诱导线粒体损伤，从而促进AIF的核易位，最终引发AIF依赖性Parthanatos死亡。这些发现有助于更深入地了解NDV分解肿瘤的新机制，并为未来的抗病毒研究提供有价值的见解和基础。

中国农业科学院上海兽医研究所/上海交通大学丁铲研究员、上海兽医研究所孙英杰研究员和西北农林科技大学杨增岐教授为论文的通讯作者。上海兽医研究所博士后屈阳为论文第一作者。该研究得到了国家自然科学基金重点项目(32122085，32220103012)和国家重点研发计划项目(2022YFD1801500, 2022YFD1800100)的资助和支持。

原文链接：https://journals.plos.org/plospathogens/article?id=10.1371/journal.ppat.1012737

本期编辑：可爱晨