細(xì)胞焦亡是一種裂解性的細(xì)胞程序性死亡，由gasdermin蛋白受上游信號(hào)激活后釋放其N端結(jié)構(gòu)域在細(xì)胞膜上打孔引發(fā)，具有高度促炎的免疫學(xué)特征。在天然免疫應(yīng)答中，經(jīng)典的炎癥小體通路和細(xì)菌脂多糖（LPS）活化的非經(jīng)典炎癥小體通路激活gasdermin家族的GSDMD，介導(dǎo)細(xì)胞焦亡來(lái)拮抗和清除病原菌感染。2020年北京生命科學(xué)研究所邵峰團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞毒性淋巴細(xì)胞分泌的顆粒酶A（GZMA）特異地切割和活化靶細(xì)胞內(nèi)gasdermin家族的另一個(gè)成員GSDMB，通過(guò)GSDMB N端結(jié)構(gòu)域的膜打孔活性引起靶細(xì)胞焦亡。這一發(fā)現(xiàn)揭示gasdermin蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡在細(xì)胞免疫的靶細(xì)胞殺傷過(guò)程中也發(fā)揮了重要作用。最近有研究對(duì)GSDMB介導(dǎo)細(xì)胞焦亡提出了質(zhì)疑。2021年一篇發(fā)表在Cell上的工作報(bào)道，痢疾桿菌感染的腸上皮細(xì)胞中GSDMB確實(shí)能被GZMA切割活化，但GSDMB沒有引發(fā)細(xì)胞焦亡，而是通過(guò)其N端結(jié)構(gòu)域直接在細(xì)菌細(xì)胞膜上打孔來(lái)殺菌。痢疾桿菌分泌的效應(yīng)蛋白IpaH7.8能夠介導(dǎo)GSDMB的泛素化降解，來(lái)拮抗宿主的這種免疫防御機(jī)制。而一篇發(fā)表在Cell Host & Microbe上的研究報(bào)道，IpaH7.8在人體腸上皮細(xì)胞中識(shí)別和降解的生理底物是焦亡蛋白GSDMD，通過(guò)阻斷GSDMD介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡來(lái)逃逸宿主的天然免疫防御。2022年另一篇發(fā)表在Cell上的工作也沒有檢測(cè)到GSDMB N端結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)細(xì)胞焦亡的活性，而認(rèn)為全長(zhǎng)的GSDMB蛋白具有調(diào)控腸上皮細(xì)胞增殖和遷移的功能，幫助腸上皮維持結(jié)構(gòu)和修復(fù)損傷。這些來(lái)自不同實(shí)驗(yàn)室的研究留下了多個(gè)重要的科學(xué)問題：痢疾桿菌效應(yīng)蛋白IpaH7.8拮抗宿主免疫防御的靶標(biāo)到底是什么分子？GSDMB是否具有介導(dǎo)細(xì)胞焦亡的活性？為什么不同的研究得出了不同的結(jié)論？

3月29日，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所丁璟珒課題組和北京生命科學(xué)研究所邵峰團(tuán)隊(duì)，在《自然》（Nature）上，在線發(fā)表了題為Structural mechanisms for regulations of GSDMB pore-forming activity的研究論文，揭示了IpaH7.8特異性識(shí)別GSDMB和GSDMD兩種焦亡蛋白的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，破解了GSDMB可變剪接調(diào)控細(xì)胞焦亡活性的精確分子機(jī)理。

研究發(fā)現(xiàn)效應(yīng)蛋白IpaH7.8通過(guò)其N端的LRR結(jié)構(gòu)域以高親和力結(jié)合焦亡蛋白GSDMB，并解析了IpaH7.8 LRR結(jié)構(gòu)域與GSDMB復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)。這一復(fù)合物結(jié)構(gòu)清晰地展示了IpaH7.8通過(guò)特異性識(shí)別GSDMB的N端膜打孔結(jié)構(gòu)域、進(jìn)而介導(dǎo)GSDMB泛素化降解的分子基礎(chǔ)，同時(shí)首次揭示了GSDMB全長(zhǎng)蛋白自抑制狀態(tài)的結(jié)構(gòu)特征。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，IpaH7.8同樣可以結(jié)合另一種焦亡蛋白GSDMD，盡管親和力低于GSDMB但識(shí)別二者的膜打孔結(jié)構(gòu)域的位點(diǎn)和機(jī)制是完全保守的。因此，痢疾桿菌效應(yīng)蛋白IpaH7.8能夠特異性介導(dǎo)GSDMB和GSDMD兩種焦亡蛋白泛素化降解，從而拮抗宿主的免疫防御。

不同于gasdermin家族的其他成員，GSDMB的編碼基因在轉(zhuǎn)錄時(shí)會(huì)通過(guò)mRNA可變剪切產(chǎn)生不同的蛋白亞型（isoforms）。這些GSDMB亞型具有幾乎完全相同的N端和C端結(jié)構(gòu)域，都能夠被效應(yīng)蛋白IpaH7.8特異識(shí)別并高效降解。GSDMB不同亞型的序列差別主要來(lái)自由外顯子6和7編碼的兩個(gè)結(jié)構(gòu)域的連接區(qū)。這段差異性的序列恰好位于保守的GZMA切割位點(diǎn)前，導(dǎo)致GSDMB不同亞型被GZMA切割后產(chǎn)生的膜打孔結(jié)構(gòu)域具有不同的C末端序列。研究發(fā)現(xiàn)，GSDMB不同亞型竟然具有不同的膜打孔能力和細(xì)胞焦亡活性。研究通過(guò)解析GSDMB在脂質(zhì)體膜上形成的分子孔道的高分辨率冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)，揭示了GSDMB的N端結(jié)構(gòu)域識(shí)別酸性磷脂、發(fā)生構(gòu)象變化并寡聚成孔的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并直觀地展示了6號(hào)外顯子形成的結(jié)構(gòu)元件對(duì)GSDMB寡聚組裝形成分子孔道是不可或缺的。這闡明了GSDMB不同亞型具有不同的膜打孔和細(xì)胞焦亡活性的分子基礎(chǔ)。之前兩篇發(fā)表在Cell上的工作均采用了非經(jīng)典可變剪接產(chǎn)生的一種GSDMB亞型（isoformU），其在6號(hào)外顯子前面的插入序列破壞了GSDMB的N端結(jié)構(gòu)域寡聚成孔的能力，因而沒有檢測(cè)到GSDMB引起細(xì)胞焦亡。研究通過(guò)測(cè)定人體腸道原代上皮細(xì)胞中GSDMB不同亞型轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平發(fā)現(xiàn)，具有細(xì)胞焦亡活性的亞型占主要比例（超過(guò)70%），而isoformU的轉(zhuǎn)錄水平極低（低于5%），這表明痢疾桿菌感染時(shí)，活化的GSDMB主要通過(guò)介導(dǎo)感染的細(xì)胞發(fā)生焦亡來(lái)實(shí)現(xiàn)抗細(xì)菌免疫防御的。進(jìn)一步，研究檢測(cè)發(fā)現(xiàn)GSDMB不同亞型的轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平在多種人體腫瘤細(xì)胞系中存在顯著差異，而這些腫瘤細(xì)胞發(fā)生GZMA激活的細(xì)胞焦亡的能力和GSDMB具有焦亡活性亞型的轉(zhuǎn)錄水平高度相關(guān)。

該研究揭示了痢疾桿菌效應(yīng)蛋白IpaH7.8通過(guò)靶向膜打孔結(jié)構(gòu)域的保守識(shí)別機(jī)制泛素化降解兩種焦亡蛋白從而拮抗宿主的免疫防御，而細(xì)胞毒性淋巴細(xì)胞介導(dǎo)病原菌感染的靶細(xì)胞發(fā)生焦亡是重要的抗細(xì)菌免疫防御機(jī)制。該研究澄清了GSDMB沒有細(xì)胞焦亡活性的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，指出細(xì)胞中GSDMB不同亞型是探究GSDMB生理功能必需考慮的重要因素，首次破解了GSDMB通過(guò)轉(zhuǎn)錄水平的可變剪接調(diào)控細(xì)胞焦亡活性的精確分子機(jī)理。

研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、科技部、國(guó)家自然科技基金及中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等的支持。

論文鏈接

志賀氏菌效應(yīng)蛋白靶向識(shí)別和降解焦亡蛋白的分子基礎(chǔ)，以及GSDMB可變剪接調(diào)控細(xì)胞焦亡活性的精確分子機(jī)理