Cell | 旁观者细胞焦亡效应——细胞焦亡的传播依赖于GSDMD孔的直接转移机制

撰文 | Sure

细胞焦亡是一种炎症性细胞死亡，主要有Gasdermins （GSDMs） 蛋白驱动【1】。在经典的焦亡过程中，炎症小体 （Inflammasomes） 激活的Caspase-1和Caspase-11/4蛋白酶会裂解GSDMD，GSDMD的N端 （GSDMS-NT） 在细胞膜上组装成孔洞，导致细胞裂解，并通过ninjurin1蛋白释放细胞因子 （如IL-1β和IL-18） 和损伤相关分子模式 （DAMPs）【2-4】。焦亡在健康和疾病中的作用正逐渐被认识，适度的焦亡可对抗微生物和肿瘤，而过度的焦亡则可能导致过度炎症反应，带来致命的后果。因此有理由相信过度的细胞焦亡反应可能通过旁观者效应 （Bystander effect） 激活周围细胞的焦亡，而这一机制仍不清楚。旁观者效应指的是某些细胞并未直接接触到刺激 （如病原体、毒素或其他应激信号） ，但由于收到周围接触到信号的细胞影响，也会发生功能变化或死亡。

近日，来自美国康涅狄格大学健康医学院的Vijay A. Rathinam在Cell上发表了论文Transplantation of gasdermin pores by extracellular vesicles propagates pyroptosis to bystander cells。 在本研究中，作者创新性的发现了细胞焦亡通过分泌带有GSDMD孔的细胞外囊泡直接向旁观者细胞传播的机制。

为了验证细胞焦亡是否能通过旁观者效应影响周围细胞，作者首先通过NLRP3激活剂nigericin刺激共培养的野生型骨髓来源巨噬细胞 （WT BMDMs） 和Nlrp3−/− BMDMs，其中WT BMDMs单独培养能被刺激激活细胞焦亡反应，而Nlrp3−/− BMDMs单独培养则不能被激活。但是，当两种BMDMs共培养后，Nlrp3−/− BMDMs也发生细胞死亡现象，这表明焦亡可能通过旁观者效应传播。为排除炎症小体激活剂对旁观者细胞的直接作用，研究者设计了一个炎症小体配体非依赖的系统，通过诱导GSDMD-NT （焦亡的核心执行分子） 触发焦亡，证实焦亡传播是由于细胞间相互作用，而非药物的直接影响。并且，焦亡传播具有时间先后顺序，先是直接被诱导的细胞经历焦亡 （2–6小时内） ，接下来共培养的旁观者细胞也逐渐表现出焦亡特征 （8–12小时后） 。旁观者细胞表现出典型的细胞膜破裂特征，能够被DRAQ7染料标记。这与直接被诱导的焦亡细胞的标志相一致，表明旁观者细胞确实经历了焦亡。此外，作者还通过三个体内模型发现，焦亡可以在体内传播至旁观者细胞，且不依赖于细胞间的直接接触，导致未直接受到刺激的细胞发生死亡。

为了研究焦亡向旁观者细胞传播的机制，作者分析了焦亡细胞分泌的细胞外囊泡（Extracellular vesicles,EVs） 。研究发现，焦亡细胞分泌的上清液中诱导细胞死亡的活性主要由EVs介导，去除EVs后，上清液失去杀伤能力，而纯化的EVs可以单独引发旁观者细胞死亡。更进一步的体内研究发现，焦亡细胞分泌的EVs注射到Gsdmd−/−小鼠腹腔，能引发腹腔细胞死亡，导致组织损伤和促炎基因通路的激活，通过增强炎症反应放大病理效应。作者接下来研究了焦亡细胞分泌的EVs如何引发旁观者细胞的焦亡。他们发现这些EVs携带有活性的GSDMD-NT直接引发旁观者细胞的死亡，而不依赖接受细胞的炎性小体或自身GSDMD。他们还拓展了这一发现，不仅焦亡细胞分泌的EVs，坏死性凋亡细胞分泌的EVs也通过携带执行分子 （如MLKL） 引发旁观者细胞死亡。

文章的最后，作者详细解析了焦亡细胞释放EVs如何通过携带GSDMD-NT引发旁观者细胞的死亡。通过免疫电镜，作者发现GSDMD定位在EVs的外表面，而超分辨率显微镜发现GSDMD以弧形、环形、线形的孔状结构存在，与焦亡细胞膜上的GSDMD孔形状相似。将EVs与旁观者细胞共培养，可以观察到EVs通过直接插入，将GSDMD孔转移到旁观者细胞的膜上，导致细胞膜裂解。使用人工构建的GSDMD孔负载脂质体与旁观者细胞共培养，也能观察到GSDMD孔从脂质体转移到新脂质体或旁观者细胞膜上，导致膜泄漏和细胞裂解。并且这些GSDMD孔的转移并不需要EVs的内化。这些结果表明，GSDMD孔的移植能力是焦亡EV传播旁观者焦亡的主要机制。

总的来说，作者揭示了细胞焦亡向旁观者细胞传播的具体机制，主要是通过分泌携带GSDMD孔的EVs直接向旁观者细胞转移，导致细胞裂解和死亡，并且这一机制独立于接受细胞的分子信号路径。这种“孔移植”机制可能在炎症性疾病和组织损伤中发挥重要作用，通过焦亡EVs的释放和传播扩大焦亡的影响范围。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.11.018

制版人：十一

参考文献

1. Broz, P., Pelegrı ́n, P., and Shao, F. (2020). The gasdermins, a protein family executing cell death and inflammation.Nat. Rev. Immunol.20, 143–157.

2. Shi, J., Zhao, Y., Wang, K., Shi, X., Wang, Y., Huang, H., Zhuang, Y., Cai, T., Wang, F., and Shao, F. (2015). Cleavage of GSDMD by inflammatory caspases determines pyroptotic cell death.Nature526, 660–665.

3. Kayagaki, N., Kornfeld, O.S., Lee, B.L., Stowe, I.B., O’Rourke, K., Li, Q., Sandoval, W., Yan, D., Kang, J., Xu, M., et al. (2021). NINJ1 mediates plasma membrane rupture during lytic cell death.Nature591, 131–136.

4. Gong, T., Liu, L., Jiang, W., and Zhou, R. (2020). DAMP-sensing receptors in sterile inflammation and inflammatory diseases.Nat. Rev. Immunol.20, 95–112.

BioART战略合作伙伴

（*排名不分先后）

BioART友情合作伙伴

（*排名不分先后）

转载须知

【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

会议资讯

近期直播推荐