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2016年6月8日，中科院生物物理研究所所王大成院士課題組與客座研究員、北京生命科學研究所邵峰院士課題組通力合作，在《Nature》雜志上在線發(fā)表題為“Pore-forming activity and structural autoinhibition of the gasdermin family”的研究長文（article），首次解析GSDMD蛋白家族重要成員的三維結構，與生物功能研究有機結合，確證GSDMD為細胞炎性壞死的直接‘殺手’，揭示GSDMD蛋白以及其它gasdermin家族蛋白介導細胞焦亡和在天然免疫中發(fā)揮功能的結構和分子機理，為研發(fā)自身免疫疾病和敗血癥等疾病的創(chuàng)新藥物奠定了堅實理論基礎，開辟了以針對gasdermin家族蛋白為基礎的創(chuàng)新生物醫(yī)藥研發(fā)新方向，引起高度重視。

細胞焦亡（又稱炎性壞死）是機體重要天然免疫反應，在拮抗病原感染和內源危險信號中發(fā)揮重要作用。過度的細胞焦亡會誘發(fā)包括敗血癥在內的多種炎癥和免疫性疾病。傳統(tǒng)認為，細胞焦亡由包括caspase-1和caspase-4/5/11在內的炎性caspase活化而誘發(fā)。Caspase-1在病原信號誘導形成的炎癥小體復合物作用下被激活；而caspase-4/5/11是細菌脂多糖（LPS，又稱內毒素）的胞內受體，在結合LPS后發(fā)生寡聚而活化，是革蘭氏陰性菌誘導敗血癥的關鍵因素。20多年來人們對于炎性caspase如何誘導細胞焦亡的機理一直完全不清楚，在去年的一項突破性進展中，邵峰院士課題組找到了一個所有炎性caspase的共同底物蛋白GSDMD，炎性caspase通過切割GSDMD釋放其N端結構域而引發(fā)細胞焦亡（Shi et al., Nature 2015）。GSDMD屬于一個被稱為gasdermin的功能未知的蛋白質家族，該家族還包括GSDMA，GSDMB，GSDMC，DFNA5，DFNB59等蛋白。人的DFNA5和小鼠Gsdma3的遺傳突變分別導致非綜合征性耳聾和小鼠脫毛以及皮膚發(fā)炎等疾病，GSDMB基因的多態(tài)性和兒童哮喘的發(fā)生密切相關。然而，炎性caspase切割GSDMD如何引發(fā)細胞焦亡及其它gasdermin家族蛋白在細胞焦亡相關天然免疫中如何發(fā)揮功能的分子機制則仍然不清楚，是當前天然免疫研究的前沿熱點問題。

在這項最新的研究中，研究人員首先發(fā)現幾乎所有的gasdermin家族蛋白的N端結構域都具有誘導細胞焦亡的功能，在細菌中也顯示出明顯的致死毒性。這一現象暗示gasdermin N端結構域可能是通過直接破壞細胞膜而殺死細胞。隨后，研究人員利用活化形式的GSDMD，GSDMA和GSDMA3蛋白通過生化實驗發(fā)現，這三種gasdermin蛋白的N端結構域均能夠特異地結合真核細胞膜上特有的磷酸化磷脂酰肌醇（phosphoinositide）和原核細胞膜上特有的心磷脂（cardiolipin），這與gasdermin N端結構域在真核細胞和細菌中均展示出細胞毒性相一致。通過生物化學和熒光顯微成像的細胞實驗，研究人員進一步證實，在真核細胞焦亡過程中，活化的gasdermin N端結構域會從細胞質中轉移到細胞膜上，細胞隨后出現體積膨脹和細胞膜向胞外吐泡的現象。此外，活化的gasdermin N端結構域重組蛋白只能從真核細胞內部破壞細胞膜，而直接加入到細胞培養(yǎng)上清中的蛋白則不能裂解細胞，這與磷酸化磷脂酰肌醇只分布在細胞膜內側完全吻合。

利用脂質體泄漏實驗，研究人員進一步發(fā)現gasdermin N端結構域能高效特異地破壞含有磷酸化磷脂酰肌醇或心磷脂的脂質體。利用不同尺寸葡聚糖分子，他們發(fā)現破壞后的脂質體只能允許小于10納米尺度的分子被釋放，該現象提示gasdermin N端結構域有可能在脂膜上聚合形成規(guī)則的孔道。生化交聯(lián)實驗結果證實gasdermin N端結構域在結合脂質體或是在細胞焦亡中轉位上膜后都會發(fā)生高度聚合。利用負染電鏡的方法，他們首次觀察到gasdermin N端結構域能在特異磷脂或天然磷脂組成的膜形成很多蜂窩狀的孔道，這些孔道的內徑約10-14納米。進一步的電鏡分析表明gasdermin N端結構域在膜上形成16元聚合體的孔道。此外，他們還通過對GSDMA3蛋白高分辨率晶體結構的解析，揭示了gasdermin N端結構域作為一種全新的打孔蛋白的獨特結構特征，以及與C端結構域之間的精細的自抑制相互作用?；诮Y構設計的點突變實驗結果進一步確認了gasdermin N端結構域結合膜脂和在膜上打孔的特性是其誘導細胞焦亡的分子基礎。

圖示：A. gasdermin N端結構域能在脂質體上形成的蜂窩狀孔道；B. gasdermin N端結構域在膜上形成的16元聚合體孔道；C. GSDMA3全長蛋白高分辨率晶體結構。

這項研究證明了GSDMD是炎性caspase誘導細胞焦亡的直接‘殺手’，首次揭示了gasdermin 家族蛋白的N端結構域具有在膜上打孔進而破壞細胞膜的功能，這不僅清晰闡明了炎性caspase通過GSDMD誘導細胞焦亡的分子基礎，也將細胞焦亡的概念重新定義為由gasdermin介導的細胞程序性壞死。研究結果不僅為針對GSDMD開發(fā)自身炎癥性疾病和敗血癥的藥物奠定了堅實的理論基礎，也為后續(xù)研究其它gasdermin蛋白在程序性細胞壞死和天然免疫中可能的生理功能開辟了道路。

本研究得到了中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類），國家科技部973項目，國家自然科學基金委員會，以及美國霍華德?休斯醫(yī)學研究所青年科學家獎的資助。王大成院士課題組的副研究員丁璟珒?yōu)楸疚牡牡谝蛔髡?，王大成院士和邵峰院士為本文共同通訊作者?/span>

簡介

王大成，分子生物物理學家。中國科學院生物物理研究所研究員。

1940年出生于四川成都。1963年畢業(yè)于中國科技大學生物物理系。

2005年當選為中國科學院院士。

長期從事蛋白質三維結構與功能及其分子改造研究，在蛋白激素、多肽生物毒素、動植物防御相關蛋白等領域取得突出的系統(tǒng)性創(chuàng)造性學術成就。

1970年代， 作為主要成員參加豬胰島素晶體結構測定，成果在國內外產生重要影響；

80年代率先開展蛋白質工程研究，對推動該領域在我國的發(fā)展發(fā)揮重要作用，同時測定糜蛋白酶原高分辨率晶體結構，影響持續(xù)被引用至今；

90年代系統(tǒng)研究蝎鈉離子通道神經毒素，測定代表性三維結構，闡明功能特性的分子機理，對解惑該領域的基本科學問題。

做出重要貢獻；近年研究天然抗微生物、抗腫瘤、抗病毒蛋白的結構與功能，取得具有高度原創(chuàng)性的研究成果。

參考資料

[1] 中國科學院，王大成課題組與北生所合作破解細胞焦亡的關鍵分子機理