Nature | 吴皓/阮建彬合作报道GSDMD的成孔机制及白介素1的释放模型

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关键词： NatureNat合作

资讯来源：BioArt

发布时间： 2021-04-22

撰文 | 夏时雨、傅天民

责编 | 兮

细胞焦亡 （pyroptosis）是近几年在天然免疫（innate immunity）和肿瘤免疫治疗（cancer immunotherapy）领域被高度关注的话题（详见BioArt报道：『。焦亡是一种炎症形式的程序性细胞死亡，会让细胞释放大量促炎性因子（pro-inflammatory cytokine），如白介素1 （interleukin-1, IL-1）。白介素1的释放能够引发强烈的炎症反应，从而消灭入侵的病原体或内源性有害因子。同时，如果免疫反应过于强烈，大量细胞焦亡会导致炎性因子风暴（cytokine storm），进而引发致命的炎性疾病，例如脓毒症（sepsis）【1】。脓毒症也叫败血症，是人类的超级杀手，全球每年有超过1000万死于脓毒症。

近几年，关于细胞焦亡的研究竞争非常激烈，取得了一系列突破性成就。2015年，北京生命科学研究所邵峰课题组和美国基因泰克公司Vishva Dixit组在Nature背靠背发文，厦门大学韩家淮组紧随其后在Cell Research发文，共同揭示免疫巨噬细胞（macrophage）的焦亡由一个叫Gasdermin D （GSDMD）的蛋白介导【2-4】。一年后，邵峰组和美国哈佛医学院吴皓/Judy Lieberman组在Nature背靠背、Dixit组在PNAS、瑞士巴塞尔大学Petr Broz/Sebastian Hiller组在EMBO J、韩家淮组在Cell Research报道GSDMD通过在细胞膜上打孔来引发细胞焦亡【5-9】。2017年，哈佛医学院Jonathan Kagan组在Immunity、Broz组在EJI上发文，揭示GSDMD在细胞膜上形成的孔是白介素1释放到胞外空间的主要通道【10,11】。2020年，邵峰组、美国凯斯西储大学肖灿组、Lieberman组在Cell、Immunity、Science和Nature上发表多篇论文，揭开了GSDMD被上游蛋白酶切割的机制和GSDMD所在的蛋白家族在肿瘤免疫中的重要作用，为进一步的药物研发和临床诊治奠定了基础【12-16】（详见BioArt报道：。

自2015年以来，吴皓课题组致力于阐明有关GSDMD的三个基本科学问问题：GSDMD孔的结构、成孔机制、和炎症因子的释放机理。经过多年的努力，2018年，吴皓组内的博士后阮建彬（现为康涅狄格大学助理教授）成功纯化了同家族的GSDMA3孔，揭示了由26到28个亚基组成的环状结构【17】。与GSDMA3相比，GSDMD的生理和病理意义更为重大。虽然解析GSDMD孔的结构一直是领域内科学家的目标，但是此课题挑战重重：1）GSDMD在细胞内的大量表达会引发细胞死亡，难以在细胞内组装制备；2）体外组装的GSDMD孔很不稳定，容易散架；3）GSDMD孔的均一性很差，不利于结构解析。

2021年4月21日，吴皓和阮建彬合作（第一作者为吴皓组博士生 夏时雨 ）在Nature杂志上发表文章 Gasdermin D pore structure reveals preferential release of mature interleukin-1 ， 经过5年多不懈的努力，解析了GSDMD孔的高分辨率结构，提出了GSDMD成孔机理，并通过结构分析和功能实验揭示了白介素-1释放的分子机制。

与GSDMDA3孔相比，GSDMD的孔更大，包含31到34个亚基不等。其中，包含33个亚基的孔分辨率最高，其跨模结构域（transmembrane domain）是一个由132条β股（β-strand）围成的巨大桶状结构，称之为β桶（β-barrel），其直径大约是22纳米，足够白介素 1（直径约4纳米）通过（图1左）。在跨膜的β桶旁边，细胞质的那一侧，有一层球状结构域（globular domain）。此外，作者还解析了另一个环状组装体，其构象与GSDMD孔差异较大，缺少β桶，称之为成孔前体 (prepore)（图1右）。该构象的生物学意义尚不明晰，但作者们认为成孔前体可能是GSDMD孔组装过程中的一个中间态。

此前，领域内普遍认为GSDMD用它的α1螺旋（helix）来与细胞膜上的脂分子形成电荷相互作用，进而结合到细胞膜上。然而，GSDMD除了α1螺旋还有两个富含电荷的区域，这三个区域对GSDMD结合细胞膜都非常重要（图2左）。更令人意外的是，GSDMD成孔前体中离细胞膜最近的区域既不是α1螺旋，也不带电荷，而是一段疏水的环状结构（loop）（图2中）。突变体分析和脂质体实验证明，这一疏水环直接影响GSDMD成孔效率。有可能，这段疏水环把包含30多个亚基的成孔前体锚定（anchor）到细胞膜上，进而引发成孔前体各个亚基发生构象变化，最终在细胞膜上形成一个β桶（图2右）。总之，这些研究极大地丰富了人们对GSDMD成孔机理的认识。

由于GSDMD形成一个开放的大孔，人们普遍认为GSDMD孔释放炎症因子的特异性源自孔径的大小，而该工作打破了这一成见，阐明了电荷对白介素1释放的重要作用，是全文的另一亮点。白介素1在细胞内存在两种形式，即其前体（pro-IL-1）和成熟的白介素1 （mature IL-1）。白介素1前体被体内的蛋白酶切掉一小部变成成熟的白介素1。尺寸上讲，前体和成熟的白介素1都远远小于GSDMD的孔径，但是前者相比后者更难通过GSDMD孔。通过结构分析，作者发现GSDMD孔内有大量负电荷富集，特别是在靠近细胞质的区域。有趣的是，白介素1前体表面电荷为负，而成熟的白介素1表面电荷则为为正。基于这些分析，作者们提出并验证了电荷对白介素1释放的重要性，用“同性相斥”的原理将复杂的生物学现象简化为物理学模型（图3）。

综上所述，该工作揭示了免疫领域期待已久的GSDMD孔的高分辨率结构，从生物物理层面展示了生物大分子精巧的分子组装和作用机制，为深入理解炎症因子的释放揭开了序幕，是关于细胞焦亡的又一重大进展。

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https://doi.org/10.1038/s41586-021-03478-3

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