邵峰:GSDME誘導細胞凋亡向細胞焦亡轉變

 

 

對癌症患者施用的化學療法會產生各種不良副作用，例如組織損傷、免疫力下降和體重減輕。降低這些副作用可以改善患者的生活質量，並且可能提高治療成功率。

隨著對化療毒性深入了解，科學家最新聚焦 gasdermin，它是一種通常見於上皮細胞、造血細胞和許多其他具有免疫防禦功能的組織中的蛋白質家族。已發現一些 gasdermin 家族成員（包括知之甚少的 gasdermin E (GSDME)）直接參與了癌症和腫瘤抑制。

根據最近的研究，GSDME 具有可誘導細胞焦亡的激活形式，這種形式是細胞死亡固有的炎症形式。因此，GSDME對癌症的治療和診斷有重要意義。

正常細胞中的 GSDME 表達水平在化療的毒副作用中發揮一定的作用。在表達 GSDME 的細胞中，通常激活凋亡介導的細胞死亡的化療藥物或炎症因子，可促使細胞焦亡的激活，而細胞焦亡是另一種細胞死亡途徑，其會影響化療藥物在正常組織中的細胞毒性。

這種細胞凋亡向細胞焦亡的轉變帶來了兩個有趣的問題：

抑制或減少 GSDME 的表達能否減少化療相關的副作用？

對 GSDME 表達的檢測能否用於癌症的診斷或預後？

為了回答這些問題，開發合適且可重複的檢測工具必不可少。

程序性細胞死亡的新觀點

長久以來，細胞焦亡一直被認為僅是Caspase-1 介導的單核細胞死亡，其主要是對細菌侵襲的反應。我們現在知道，細胞焦亡實際上是由經典Caspase-1「炎症小體」以及由胞質LPS激活的Caspase-4/5/11 激活，在這種情況下，它起著一般的先天免疫機制的作用。

在這些情況下，由於 gasdermin D (GSDMD) 被Caspase-1、-4、-5 和-11 切割並激活，因此它起著細胞焦亡「劊子手」蛋白質的作用。此外，最近的一項研究表明，GSDME 可被Caspase-3 切割並激活，從而導致細胞焦亡。這些機理性的發現重新將細胞焦亡定義為gasdermin 介導的程序性壞死。它們改變了我們對程序性細胞死亡的基本理解。

使用 GSDME 表達水平降低的動物和細胞模型來研究減輕或者甚至避免 GSDME 介導的細胞焦亡及其炎症效應的可能性。為了開展這項研究並檢驗 GSDME 在化療中的作用，NIBS（北京生命科學研究所）的研究人員與 Abcam 的科學家合作開發了針對 GSDME 的抗體。

具體而言，這些研究人員開發了高靈敏度和高特異性的重組兔單抗，使用了 RabMAb？ 專利技術，可特異識別人和小鼠 GSDME 的 N 末端結構域。研究人員還開發了針對人 GSDME 的 C 末端結構域的兔單抗。

當Caspase-3 切割 GSDME 產生 GSDME-N 片段時，能夠區分 GSDME N-末端結構域和 C-末端結構域十分重要， GSDME-N 片段負責膜穿孔和誘導細胞焦亡。這些抗體使研究人員能夠精確地分析癌細胞、內源細胞以及組織中的 GSDME 表達水平。

動物模型和細胞模型的研究證實，化療藥物通過 GSDME 引發細胞焦亡，並且該過程是造成患者在化療時出現副作用的部分原因。這是因為 GSDME 的表達可以通過Caspase-3 切割的 GSDME 的造孔活性將化療誘導的細胞凋亡轉變為細胞焦亡。這種 GSDME 介導的細胞焦亡是誘發廣泛的炎症損傷和常規化療引發的毒副作用的關鍵。

Gasdermin 和癌症

腫瘤和正常組織均可以不同程度的表達 GSDME。在本項目中生成的重組兔單抗 GSDME 抗體能夠檢測極低的水平的 GSDME，並有助於表徵一系列細胞類型的 GSDME 表達，包括非癌細胞和 NCI-60，其中 NCI-60 是美國國家癌症研究所用於篩選和評估抗癌藥物的一組 60 種不同人類癌細胞。

儘管大多數癌細胞表現出 GSDME 的沉默表達，但該團隊鑑定出了幾種人類細胞系，包括高水平表達 GSDME 的 SH-SY5Y （神經母細胞瘤細胞）和 MeWo （皮膚黑素瘤細胞）。利用這兩種細胞系，該團隊證明 GSDME 介導的焦亡途徑的轉變是由外界不同因素導致的，例如腫瘤壞死因子或化療藥物，和/或引起caspase-3活化的DNA 損傷。

這項工作表明，Caspase-3 切割並激活 GSDME 從而導致細胞焦亡，並且 GSDME 的表達水平決定了在Caspase-3 激活的細胞中發生的程序性細胞死亡的類型。使用激活細胞凋亡的化療藥物治療後，GSDME 高表達水平的細胞通常會發生細胞焦亡。

此外，在 SH-SY5Y和 MeWo 細胞中，化療藥物誘導的細胞焦亡在 zVAD（一種阻止 GSDME 切割的Caspase抑制劑）存在下被抑制。當使用人類基因敲除細胞系 (GSDME？/？ SH-SY5Y) 時，化療藥物誘導的細胞焦亡沒有發生。同時，發現低水平或不存在 GSDME 的細胞在細胞凋亡激活後發生繼發性細胞壞死。

在腫瘤形成期間，GSDME 通過甲基化修飾使其處於轉錄抑制狀態。這是大多數癌細胞不表達 GSDME 的原因。這引出了一個有趣的可能性，即逆轉這種轉錄抑制可能會使這些細胞對化療藥劑敏感。

在這種可能性的測試中，用azacitidine（阿扎胞苷，一種被批准用於治療骨髓增生異常症候群、骨髓性白血病或慢性粒單核細胞白血病的癌症藥物）治療失去 GSDME 表達的細胞。阿扎胞苷抑制了甲基轉移酶，逆轉了 GSDME 的甲基化/沉默，並增加了 GSDME 的表達。因此，當施用了其他的化療藥物時，焦亡途徑的誘導減少。

與癌細胞相反，許多正常細胞確實能以高水平表達 GSDME。因此，化療藥劑使正常細胞敏感，並迫使它們進入焦亡途徑。常規化療藥物引起如此嚴重的細胞毒性的一個原因是正常組織中的細胞焦亡會引起很大程度的炎症損傷。

為了測試 GSDME 是否會影響化療藥物在整個動物模型中的不良作用，研究人員將敲除 Gsdme？/？ 的小鼠暴露於cisplatin（順鉑，一種化療藥物）並檢查其小腸、脾臟、肺和其他組織。這項工作的結果進一步驗證了 GSDME 介導的細胞焦亡導致炎症損傷的假說。那麼，GSDME 可能在化療藥物誘導的細胞毒性中發揮主要作用。如果真是如此，那麼 GSDME 表達調節可能是控制炎症進而控制化療不良副作用的有效手段。

下一步研究目標

目前正在研究的目標是了解細胞焦亡途徑是否由 GSDMD 和/或 GSDME 介導，以及下遊炎症反應是否有助於腫瘤形成或在調節腫瘤免疫反應中起作用。目前尚不清楚針對細胞焦亡的免疫療法是否可以改善癌症治療。為了解決這個問題，需要進行更深入的研究。研究人員可以檢驗細胞焦亡是否能夠通過細胞因子誘導來調節對腫瘤細胞的殺傷。此外，他們可以確定細胞焦亡是否可以調控癌症免疫細胞中檢查點阻斷介質的有效性。

到目前為止所進行的研究改變了我們對於細胞焦亡的理解，並且提供了對程序性細胞死亡的新觀點。此外，還闡明了通過調控 GSDME 表達可避免化療的許多副作用的可能性。GSDME 表達水平和發生的細胞死亡類型之間的明顯聯繫，也意味著基於抗體的GSDME 表達水平的檢測，可作為一種新的工具用於癌症診斷和預後判讀。（邵峰博士([e-mail])為北京生命科學研究所（NIBS）研究員及學術副所長）(生物谷Bioon.com）