蒋争凡课题组《Molecular Cell》报道细胞凋亡维持 “天然免疫沉默” 机制

来源: 生命科学联合中心 / 作者: 蒋争凡 / 时间: 2019-03-16
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蒋争凡课题组《Molecular Cell》报道细胞凋亡维持 “天然免疫沉默” 机制

2019 年 3 月 13 日,国际著名学术期刊《Molecular Cell》在线发表了北大 - 清华生命科学联合中心蒋争凡研究组在天然免疫领域的最新研究成果——Apoptotic Caspases Suppress Type I Interferon Production via the Cleavage of cGAS, MAVS and IRF3.

外来病原体的入侵能够激活宿主的天然免疫反应,包括 1)抗感染 I - 型干扰素等细胞因子的产生;2)炎性小体(inflammasome)的活化;3)细胞凋亡(apoptosis)活化以杀死被感染的细胞。虽然三者对于清除病原微生物都很重要,但任何一条通路的过度活化均会引起自身免疫疾病的发生,如系统性红斑狼疮(I - 型干扰素过度产生)和类风湿性关节炎(炎性因子过度产生)等,所以研究天然免疫系统的稳态调控具有重要的理论及实际意义。2017 年,蒋争凡课题组发表在《Immunity》中的工作发现了炎性小体活化后负调控 I - 型干扰素通路。病原微生物感染细胞并激活炎性小体后,被活化的炎性蛋白酶(Inflammatory caspases:CASP1/11/4/5)切割 cGAS,抑制胞质 DNA 诱导的 I - 型干扰素产生。炎性小体缺陷小鼠在 DNA 病毒刺激下产生更多的细胞因子,因而对病毒感染有更强的抵抗能力。

在本研究中,蒋争凡课题组进一步发现病原微生物感染导致的细胞凋亡通路被活化时,可以激活多个凋亡效应蛋白酶(Apoptotic effector caspases: CASP3/6/7)。活化的凋亡蛋白酶切割多条天然免疫通路中的关键蛋白:cGAS, MAVS 和 IRF3,并使这些蛋白完全失活,以此负调节宿主细胞内 cGAS-STING 或者 RIG-I-MAVS 天然免疫通路的活化,避免细胞因子的过度产生。与此相应的是,Apoptotic caspase 缺失的细胞和小鼠与野生型相比具有更强的抗病毒(DNA 及 RNA 病毒)能力。其中,CASP3 发挥最为重要的调节作用。有趣的是,人体细胞中的 CASP7 不发挥这种调控作用,而鼠源细胞 CASP7 有作用,表明不同物种间免疫调控存在较大的差异。更有意义的是,为了保证 MAVS 这个关键蛋白的失活,细胞内活化的 CASP3 在 MAVS 的两个位点进行切割,并且只有第一位点突变后,才到第二位点进行切割;而在体外利用纯化的 CASP3 蛋白进行体外切割时,CASP3 只能在第一位点切割,不能够在第一位点突变后的 MAVS 中进行第二位点的切割。这些结果为天然免疫信号通路间的相互调控,MAVS 防止免疫过度及稳态的维持提供了新的视角。

细胞凋亡在机体的生命进程中无时无刻不在发生。细胞凋亡在胚胎发育阶段清除多余的和已完成使命的细胞,如指 / 趾间结构去除和尾巴的消失,保证胚胎的正常发育;在成年个体中清除衰老和病变的细胞,如皮肤细胞的脱落和消化道细胞的更替、泌乳后乳腺的消退及免疫细胞的阳 / 阴性选择,维持器官细胞的动态平衡,保证机体的健康。这些随时都在发生的细胞凋亡与其它所有类型细胞死亡都不同的是:细胞凋亡不引起天然免疫的活化,即死亡细胞保持 “天然免疫沉默”。这样的“免疫沉默” 对于机体的正常生理活动是至关重要的。否则胚胎无法正常发育,而成年个体则会始终处于发炎状态。以往的多项研究表明,细胞凋亡过程中线粒体 DNA(mtDNA)会伴随细胞色素 c 被释放到细胞质中,而这些胞质中的 mtDNA 会强烈激活 cGAS-STING 通路,产生 I - 型干扰素并导致炎症反应。因此,细胞凋亡如何维持 “天然免疫沉默” 是一个非常有意义的、悬而未决的科学问题。2014 年,Richard Flavell 团队及 Benjamin Kile 团队在《Cell》发表的两篇文章同时指出 Apoptotic caspases 在此过程中起关键作用,但是具体机制不清楚。蒋争凡课题组的上述发现表明,凋亡活化的 CASP3/6/7 通过切割 cGAS 和 IRF3 有效阻断 mtDNA 诱导的 cGAS-STING 活化,进而避免 I - 型干扰素产生及炎症反应的发生。同时,切割 MAVS 和 IRF3 则能完全阻断 RIG-I-MAVS 介导的天然免疫活化。这些结果很好地解释了细胞凋亡如何保证 “天然免疫沉默” 这个重要的科学问题。

以上结果进一步证明病原微生物感染细胞后激活的①I - 型干扰素产生、②细胞凋亡与③炎症小体活化三者之间存在互相制约的精密调节,为天然免疫稳态维持及自身免疫疾病的治疗提供了理论依据。同时提示人们在临床使用各类 Caspase 抑制剂时,需充分考虑 Caspase 被抑制后可能产生的不当的免疫活化;而另一方面,Caspase 抑制剂有可能作为新型的免疫促进剂。

2013 级生科院博士生宁小涵、2010 级 PTN 博士生王宇涛(已毕业)和 2016 级北大 - 清华联合中心博士生景淼为论文的共同第一作者,生命科学学院 / 北大 - 清华生命科学联合中心的蒋争凡教授为通讯作者。北京大学人民医院黄晓军教授和路易斯安那州立大学兽医学院 Ji-Ming Feng(冯继明)教授参与了本项目的研究。本研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点基础研究项目、北京大学 “细胞增殖与分化” 教育部重点实验室及 “北大 - 清华生命科学联合中心” 的资助。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.02.013

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