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论文解读 · 15 / 细胞死亡与炎症

凋亡并非免疫静默:caspase-8 直接切割 GSDMD 致裂解,pannexin-1 驱动 NLRP3 激活

导语:凋亡长期被视为"免疫静默"的死亡方式,但本文发现 caspase-8 激活的外在凋亡会把 GSDMD 切成打孔的 p30 导致细胞裂解;而把 GSDMD 的 caspase-3 失活位点 D88 突变掉,小鼠健康出生,巨噬细胞凋亡时的死亡却增强 1.5 倍——凋亡平时不变成焦亡,靠的是 caspase-3 对 GSDMD 的失活切割。

The EMBO Journal · 20199 分钟阅读讨论这篇论文
从实验问题开始读
蓝灰色独立示意:外在 caspase-8 和线粒体内在 caspase-9 两路凋亡汇入 caspase-3/7,通过膜 pannexin-1 通道、钾外流驱动 NLRP3 组装。另一分支标出小鼠 GSDMD 的 caspase-8 D276 激活和 caspase-3 D88 失活切割,未把 gasdermin 孔画为 NLRP3 的上游通道。
HIGHLIGHTS(解读总结)
  • 01

    主要发现:外在凋亡中 caspase-8 直接切割 GSDMD 引起细胞裂解,caspase-3/7 依赖的继发坏死与之并行;

  • 02

    关键机制:caspase-3 在 D88 位点失活切割 GSDMD、限制裂解;NLRP3 激活由 pannexin-1 而非 gasdermin 孔驱动;

  • 03

    研究意义:pannexin-1 是内在与外在凋亡激活 NLRP3 的共同通道,凋亡的"免疫静默"是主动维持的结果。

本文目录

一、这篇文章回答了什么

Smac mimetic、TAK1 抑制剂、BH3 mimetic 等药物诱导的 caspase-8/-9 依赖性凋亡会引起细胞裂解并激活 NLRP3 炎性小体,与"凋亡免疫静默"的经典认识矛盾,机制不明。本文的结论是:外在凋亡中 caspase-8 直接切割 GSDMD 驱动裂解,平时被 caspase-3 在 D88 位点的失活切割所限制;内在凋亡的裂解则与 gasdermin 无关。两类凋亡都经 caspase-3/7 激活 pannexin-1 通道,再经钾外流激活 NLRP3。

二、论证逻辑梳理

第一步:外在凋亡的裂解由 GSDMD 与 caspase-3/7 继发坏死并行完成(图 1)。作者用 TNF 加 Smac mimetic(AZD 5582)或 TAK1 抑制剂处理巨噬细胞组装 ripoptosome、激活 caspase-8,发现野生型细胞裂解并呈焦亡形态(膜气球样变、PI 摄取),Gsdmd 敲除细胞保持膜完整、呈经典凋亡形态,但凋亡小体随时间仍摄取 PI;在 Gsdmd 敲除背景上再用 CRISPR 删除 caspase-3 或 caspase-7,裂解完全消失。以上结果表明,外在凋亡的膜破裂有两条并行来源:GSDMD 孔和 caspase-3/7 驱动的继发坏死。

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Chen 等(2019)原论文图 1,完整 A–E 面板。
图 1|原论文完整 Figure

第二步:caspase-8 与 caspase-1 在同一位点激活 GSDMD,caspase-3 在另一位点将其失活(图 2–3)。作者发现 caspase-1/11 敲除细胞中 GSDMD 仍被加工成活性 p30;在天然缺乏 caspase-1 的 HEK293T 细胞中,用药物诱导二聚化的 caspase-8 切割野生型 GSDMD 产生 p30,同时出现 D88 处失活切割的 p43、p20 片段——D276A 突变体只积 p43,D88A 突变体只积 p30。体外荧光底物实验显示 caspase-8 切割效率比 caspase-1 低 30 倍。以上结果表明,caspase-8 直接于 D276 激活 GSDMD,而 caspase-3 于 D88 将其切割失活。

第三步:D88A 敲入小鼠证明失活切割在体内起限制作用(图 3)。作者构建 Gsdmd D88A/D88A 敲入小鼠,小鼠按孟德尔比例出生、健康、免疫系统正常;其巨噬细胞在 TNF 加 TAK1 抑制剂或 Smac mimetic 处理下 p30 积累、失活片段消失,死亡增强 1.5 倍,而 caspase-1 加工不变。以上结果表明,caspase-3 对 GSDMD 的失活切割限制了 caspase-8 的促炎裂解,且 GSDMD 孔不促进该模型的 NLRP3 激活。

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Chen 等(2019)原论文图 3,完整 A–E 面板。
图 3|原论文完整 Figure

第四步:两种凋亡都经 pannexin-1 激活 NLRP3,与 gasdermin 无关(图 4–5)。作者发现外在凋亡中 Gsdmd、Gsdme 单敲或双敲都不影响 caspase-1 p20 产生,高钾对野生型和敲除细胞同等抑制;RIPK3 经支架功能(不依赖激酶活性和 MLKL)促进 caspase-3 激活,pannexin-1 抑制剂丙磺舒和曲伐沙星显著减少 caspase-1 激活(对 nigericin 和 poly(dA:dT) 无影响),Panx1 敲除同样大幅减少。内在凋亡模型(ABT-737+MCL-1 抑制剂 S63845)中,裂解不依赖 GSDMD 和 GSDME,但 caspase-1 加工仍依赖 pannexin-1。以上结果表明,pannexin-1 通道是内在与外在凋亡激活 NLRP3 的共同通路,gasdermin 孔均不参与。

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Chen 等(2019)原论文图 4,完整 A–H 面板。
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Chen 等(2019)原论文图 5,完整 A–H 面板。
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三、对实验的启示

  1. 凋亡模型里看到 GSDMD p30 不能直接下"焦亡"结论:caspase-8 激活 GSDMD 的效率只有 caspase-1 的约 1/30,且 p30 同时被 caspase-3 切割成 p20——p30、p43、p20 三个条带要一起看,p43/p20 代表失活切割。
  2. D88A 敲入小鼠是去除失活切割的干净工具:动物健康、免疫系统正常,可用于检验任何凋亡模型中 D88 失活切割的权重。
  3. 凋亡背景下 NLRP3 的归因先查 pannexin-1:gasdermin 敲除不改变 caspase-1 激活时,pannexin-1 是候选;注意丙磺舒、曲伐沙星特异性有限,需基因敲除佐证。

四、站内文献关联

(以上跨论文比较为综合解释,非任一原文的直接结论。)

这篇论文还没有回答什么

局限:① D88A 小鼠只做了体外巨噬细胞实验,失活切割的体内意义未验证;② pannexin-1 的结论部分依赖特异性有限的抑制剂。

原始研究

Extrinsic and intrinsic apoptosis activate pannexin-1 to drive NLRP3 inflammasome assembly

Kaiwen W Chen; Benjamin Demarco; Rosalie Heilig; Kateryna Shkarina; Andreas Boettcher; Christopher J Farady; Pawel Pelczar; Petr Broz The EMBO Journal. 2019;38:.

文中配图来自资料库中已核实的原论文,保留原图标识、坐标与对照;图号和来源见资料库登记。

参考文献
  1. Chen KW, Demarco B, Heilig R, et al. Extrinsic and intrinsic apoptosis activate pannexin-1 to drive NLRP3 inflammasome assembly. EMBO J. 2019;38(10):e101638. doi:10.15252/embj.2019101638
  2. Taabazuing CY, Okondo MC, Bachovchin DA. Pyroptosis and apoptosis pathways engage in bidirectional crosstalk in monocytes and macrophages. Cell Chem Biol. 2017;24(4):507-514.e4. doi:10.1016/j.chembiol.2017.03.009
  3. Vince JE, De Nardo D, Gao W, et al. The mitochondrial apoptotic effectors BAX/BAK activate caspase-3 and -7 to trigger NLRP3 inflammasome and caspase-8 driven IL-1β activation. Cell Rep. 2018;25(9):2339-2353.e4. doi:10.1016/j.celrep.2018.10.103

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