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Nature | “存活”or“焦亡”——应激状态下细胞命运决定的机制

日期:2019-09-20 15:06:29 来源: BioArt 点击:

在应激状态时,细胞会通过调节自身的存活或死亡来对应激做出响应,从而保持稳态。当细胞质中形成应激颗粒(stress granules)时,细胞会在应激中存活下来;当细胞质中形成NLRP3炎症小体时,细胞会激活程序性的炎症坏死——焦亡(pyroptosis)。然而,对于应激状态下应激颗粒和NLRP3炎症小体之间的相互关系以及二者的互作对细胞命运走向的影响,目前还没有细致研究。


2019年9月12日,美国St. Jude儿童医院Thirumala-Devi Kanneganti团队和英国剑桥癌症研究所Richard J. Gilbertson团队在Nature上发表了题为DDX3X acts as a live-or-die checkpoint in stressed cells by regulating NLRP3 inflammasome的文章,发现DDX3X在驱动NLRP3炎症小体和应激颗粒包装中扮演了重要角色,揭示应激状态下DDX3X可以调节细胞“存活-焦亡”命运的决定。


该实验主要用原代骨髓来源的巨噬细胞(BMDMs)开展,先用LPS刺激BMDMs 4个小时,再用亚砷酸钠处理,可以形成应激颗粒;用LPS刺激4个小时后,用尼日利亚菌素处理,则会形成NLRP3炎症小体。G3BP1可以作为应激颗粒的标志物,ASC斑点(ASC specks)可以作为NLRP3炎症小体的标志物。在用LPS刺激过的BMDMs中,加入尼日利亚菌素之前,如果先加入亚砷酸钠,包装形成的ASC斑点明显减少,指征NLRP3炎症小体激活的caspase-1和GSDMD的裂解、IL-1β和IL-18的分泌量也明显减少。同时,SYTOX Green染色发现NLRP3炎症小体激活后细胞的焦亡也被亚砷酸钠抑制了。而用茴香菌素阻断亚砷酸钠诱导的应激颗粒的包装,则明显恢复了NLRP3炎症小体的激活。不光LPS刺激的BMDMs,亚砷酸钠对NLRP3炎症小体的这种抑制作用在Pam3CSK4、β-1,3-glucan、poly(I:C)刺激的BMDMs中也一致。但是,应激颗粒的形成不影响AIM2、NLRC4炎症小体的激活。以上发现表明:亚砷酸钠诱导的应激颗粒的形成特异地抑制了NLRP3炎症小体的激活,使得应激状态下的细胞选择促存活的细胞命运。


此外,作者利用另外4种诱导剂发现:虽然在L929细胞中,4种诱导剂都能诱导应激颗粒的形成;但是,在LPS刺激过的BMDMs中,不能诱导应激颗粒形成的sorbitol/thapsigargin不能抑制NLRP3炎症小体的激活,而能诱导应激颗粒形成的vincristine/paclitaxel则能够抑制NLRP3炎症小体的激活。这进一步表明,应激颗粒的形成抑制了NLRP3炎症小体的激活。


关于应激颗粒介导的这种对NLRP3炎症小体激活的抑制作用,作者首先排除了翻译被阻滞的因素,因为pro-IL-1β、NLRP3、ASC和CASP1这些NLRP3炎症小体成分的表达不受影响。同时,作者也排除了NLRP3被应激颗粒螯合劫持或自噬降解的因素。


在LPS刺激后炎症小体激活状态下,利用亲和纯化质谱,作者鉴定到DDX3X这个应激颗粒已知成分可以和NLRP3物理性互作。作者因此推测,DDX3X可能参与了应激颗粒介导的NLRP3炎症小体的抑制。


条件性敲除小鼠髓系细胞中的DDX3X,亚砷酸钠诱导BMDMs中产生的应激颗粒明显减少。同时,DDX3X敲除的BMDMs中炎症小体的激活也明显减少。而过表达DDX3X则可以恢复DDX3X缺失的BMDMs中NLRP3炎症小体的激活。这说明DDX3X不仅是应激颗粒包装的必要成分,而且对于NLRP3炎症小体的激活也十分关键。


仅形成应激颗粒或简单共表达时,DDX3X与NLRP3互作,但不与ASC或CASP1互作。而当形成NLRP3炎症小体时,DDX3X则能够与ASC在ASC斑点处共定位,这说明DDX3X是炎症小体复合物的组成成分。在DDX3X缺失的BMDMs中,ASC斑点的比例明显减少。这些发现暗示:DDX3X通过与NLRP3相互作用调节了NLRP3炎症小体的包装。


通过构建DDX3X不同结构域的截短体,作者发现NLRP3的NACHT结构域参与了与DDX3X的互作,而DDX3X解旋酶结构域的活性对于应激颗粒对NLRP3炎症小体激活的抑制是关键的。


利用分析超速离心的方法,作者检测到了NLRP3、DDX3X、ASC在炎症小体激活状态下的寡聚化。而亚硒酸钠处理后,不能形成包含DDX3X和ASC的功能性NLRP3炎症小体。通过超分辨率荧光显微镜STORM,作者直接观察到了尼日利亚菌素处理后DDX3X和ASC的共定位。这些先进技术手段说明:DDX3X是NLRP3炎症小体包装的关键成分。


接下来,作者研究了DDX3X在应激颗粒包装和炎症小体激活两种细胞命运选择中的角色。作者设计了一个时间梯度的竞争试验,在用尼日利亚菌素诱导NLRP3炎症小体激活之前和之后的不同时间点加入亚砷酸钠,作者发现亚砷酸钠加入的时间点与炎症小体激活的抑制之间密切相关;而应激颗粒的抑制剂茴香菌素则可以促进NLRP3炎症小体的激活。时间梯度的试验说明,应激颗粒的形成和NLRP3炎症小体包装之间是互斥的,二者在动力学上竞争共同的分子。由于DDX3X缺失后应激颗粒和ASC斑点的包装都会发生缺陷,这暗示DDX3X可能就是这个分子。为了证实应激颗粒的诱导对于DDX3X定位的影响,作者通过结构化照明显微镜发现,尼日利亚菌素处理的BMDMs中,DDX3X可以与ASC斑点共定位,而先加入亚硒酸钠后,DDX3X则与G3BP1定位在应激颗粒中。而缺失G3BP1则对于NLRP3炎症小体的激活没有影响。这就说明DDX3X是应激颗粒和NLRP3炎症小体共同竞争的分子,这种竞争下DDX3X到底参与哪一种复合体就决定了细胞“存活-焦亡”的命运选择。


总之,这篇文章揭示了应激状态下细胞命运决定的一种机制。NLRP3炎症小体依赖的焦亡和促存活的应激颗粒都需要DDX3X的参与,DDX3X正好位于“存活-焦亡”的交叉路口,成为细胞命运决定的检查点分子。因此,DDX3X有可能因其在应激响应和炎症激活中的作用而被设计成为一个药物靶点。


原文链接:
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1551-2


(责任编辑:labweb)

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