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    上海有机所交叉中心团队揭示了细胞焦亡的时空调控机制

    发布时间:2024-04-03中国科学院生物与化学交叉中心

    细胞焦亡(pyroptosis)是一种由gasdermin介导的裂解性的程序性细胞死亡方式。Gasdermin D(GSDMD)是gasdermin家族中研究最广泛的成员,在宿主抵抗病原体免疫中发挥重要作用。在经典的细胞焦亡中,焦亡刺激诱导炎症小体激活后,GSDMD被炎性caspase剪切,释放出活性氨基末端片段(GSDMD-NT),随后GSDMD-NT转移到细胞质膜,发生构象变化并寡聚,形成一个插膜的孔状结构。通过该孔道,细胞分泌大量促炎细胞因子如白细胞介素IL-1β等,引发强烈的炎症反应并诱导免疫细胞发生焦亡。

    GSDMD作为介导细胞焦亡的关键因子,其剪切和寡聚受到严密调控。尽管体外的结构研究已表征GSDMD和caspase之间的相互作用,但在焦亡刺激后这种酶-底物复合物是如何形成的尚不清楚。此外,体外实验已证明GSDMD-NT具有脂质结合能力和寡聚化能力,但在细胞内GSDMD的剪切、质膜转位和寡聚如何在时间和空间上被协调是领域内尚未解决的重要科学问题。

    2024年3月27日,鑫博电竞生物与化学交叉研究中心许代超团队在Nature Cell Biology发表了题为“A palmitoylation-depalmitoylation relay spatiotemporally controls GSDMD activation in pyroptosis”的研究论文,揭示了一种由S-棕榈酰化-去棕榈酰化接力所介导的细胞焦亡调控机制。这种接力机制以时空依赖性的方式控制GSDMD的剪切、质膜转位和寡聚。

    S-棕榈酰化是一种通过硫酯键将棕榈酸共价连接到蛋白质半胱氨酸残基上的翻译后修饰,可增加蛋白质的疏水性,从而调控蛋白质的膜易位、膜结合、构象变化、稳定性以及与其他蛋白质的相互作用等过程。多种刺激可触发蛋白质发生棕榈酰化和去棕榈酰化,以类似于蛋白质磷酸化和泛素化的方式调节蛋白质的功能。

    研究人员发现,在细胞焦亡过程中,鼠源GSDMD在氨基末端结构域的保守Cys192残基上发生可逆性S-棕榈酰化修饰。在巨噬细胞中,多种刺激均会诱导GSDMD发生棕榈酰化,该过程由棕榈酰转移酶DHHC7介导。这种修饰增强了GSDMD与caspase的相互作用,从而促进了GSDMD的剪切(图1)。进一步分析发现棕榈酰化能够在空间上促进剪切后形成的活性GSDMD-NT从细胞质易位到细胞质膜上(图1)。

    鉴于棕榈酰化修饰促进GSDMD的剪切和膜易位,进而促进细胞焦亡,研究人员预期去棕榈酰化修饰应抑制细胞焦亡,即抑制去棕榈酰化修饰促进细胞焦亡。但有趣的是,敲除具有去棕榈酰化作用的酰基硫酯酶APT2却抑制了细胞焦亡,但不影响GSDMD的剪切以及GSDMD-NT的膜易位。这引起研究人员关注到与成孔活性直接关联的GSDMD-NT的寡聚。分析发现,GSDMD-NT可由定位于细胞质膜上的APT2去除棕榈酰基团,释放出Cys192残基,促进其他修饰如活性氧ROS对Cys192位点的氧化作用,从而介导GSDMD-NT的寡聚(图1)。所以GSDMD的棕榈酰化和去棕榈酰化均有助于促进细胞焦亡。研究人员发现,抑制棕榈酰化或者去棕榈酰化过程均可有效保护小鼠免受脂多糖LPS诱导的脓毒性休克,并能够以GSDMD依赖的方式增加小鼠对细菌感染的敏感性。

    图1. “棕榈酰化-去棕榈酰化接力”时空依赖性地调控GSDMD剪切、膜转运和寡聚的分子机制模式图

    总之,这项研究揭示了DHHC7介导的棕榈酰化和APT2介导的去棕榈酰化以接力的方式在时间和空间上调控GSDMD的剪切、膜易位和寡聚,进而促进GSDMD的激活和细胞焦亡的分子机制(图1)。该研究将为以蛋白棕榈酰化动态修饰为靶点开发药物治疗感染性疾病的策略提供了科学依据。

    中国科学院生物与化学交叉研究中心许代超研究员为该文通讯作者,中国科学院生物与化学交叉研究中心博士生张娜、杨元鑫和苏州大学张健副教授为该文共同第一作者。中国科学院生物与化学交叉研究中心谭立研究员、陈忠文研究员等人为该工作提供了宝贵的帮助。


    原文链接:https://www.nature.com/articles/s41556-024-01397-9


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