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莫玮教授和韩家淮院士合作在Nature上发文揭示基因组不稳定性触发的非经典坏死引发炎性肠炎的机制

发布时间:2020-03-26来源:生命科学学院 点击数:

细胞死亡是生命活动的基本现象,也是维持机体稳态的重要机制1,2。依据其发生过程中的形态学变化及具体分子机制,可以将其分为凋亡(Apoptosis),坏死样凋亡(Necroptosis),焦亡(Pyroptosis),铁死亡(Ferroptosis),自噬性死亡(Autophagic cell death)等死亡方式3,4。细胞死亡在机体抵抗病原体感染中发挥重要作用,是天然免疫应答过程中的重要机制。被感染细胞的死亡对病原体感染的抑制是通过多个途径实现的:一方面,被感染细胞的死亡会使得病原体失去复制场所,直接暴露于巨噬细胞等免疫细胞,进而被这些免疫细胞识别并清除5,6;另一方面,被感染细胞的死亡伴随着细胞内容物的分泌与释放,会诱发局部免疫炎症反应,在招募炎性细胞的同时,参与激活并调控获得性免疫应答6-10。在一些非感染的自发性炎症疾病中往往伴随着细胞死亡的现象,鉴于坏死样凋亡强烈的促炎效应,它是否参与自发性炎症疾病过程?

2020325日,细胞应激生物学国家重点实验室,厦门大学生命科学学院莫玮教授课题组和韩家淮院士课题组合作在Nature杂志上发表题为“Gut stem cell necroptosis by genome instability triggers bowel inflammation的研究文章,报道了肠道干细胞中基因组不稳定激活ZBP1-RIP3-MLKL轴引发干细胞坏死,导致自发性的肠道炎症。

在真核生物的基因组中,存在大量不编码序列,其中就包含了一系列叫做内源性逆转录病毒(ERVs)的序列。其在人体内含量丰富,含有不同家族,拷贝数众多,大约占基因组的8-10%ERVs类似于逆转录病毒,它的活跃会引起基因组不稳定以及激活细胞内固有免疫。为了维系细胞的稳态,绝大多数ERVs需要被DNA甲基化或组蛋白H3K9位点三甲基化修饰,使其处于静默状态。作者发现在健康的肠干细胞中是通过SETDB1H3K9位点三甲基化甲基化转移酶)对ERV区域进行特定的组蛋白三甲基化修饰从而抑制内源性逆转录病毒的激活,以保证基因组的稳定性,维持肠干细胞稳态以及肠道上皮的完整性。而在炎性肠炎(Inflammatory bowel disease, IBD) 病人样品中,SETDB1表达量在肠干细胞区域有明显的下降。由于SETDB1在肠道干细胞区域特异性的高表达,在肠道上皮或者仅在肠道干细胞中敲除Setdb1后,小鼠肠道都会产生类似于人IBD的自发性炎症。

通过对Setdb1敲除以后一系列时间点的表达谱比较,作者发现再生型肠干细胞的基因CluSetdb1敲除后的第二天就开始高表达,表明Lgr5+干细胞死亡是肠道炎症的早期事件。在IBD病人样品中,SETDB1的表达和基因组的不稳定性呈负相关;在敲除Setdb1的第二天,小鼠肠道隐窝(干细胞区域)细胞就出现基因组不稳定性,由此,作者认为Setdb1敲除引起的基因组不稳定性和干细胞死亡是后期肠道炎症的驱动事件。

  在鉴定哪一种细胞死亡类型的研究中,作者充分利用小鼠遗传工具,发现只有在肠炎小鼠中将necroptosis通路中的RIP3MLKL敲除,才能阻止肠道干细胞的死亡。经典的坏死通路的信号来自于细胞外的肿瘤坏死因子(TNF)并依赖于RIP1的激酶活性。但是在离体类器官(organoid)培养中,RIP1激酶抑制剂并不能抑制Setdb1敲除organoid的解体排除经典坏死通路的可能性。

在坏死样凋亡中,RIP1RIP3RIP3RIP3间通过两者共有的RHIM结构域相互结合。ZBP1是另外一个具有RHIM结构域的蛋白。之前的工作发现少数病毒,比如流感病毒IAV,小鼠巨细胞病毒(MCMV)可以通过ZBP1激活坏死。在非感染情况下,ZBP1介导的坏死只有在RIP1 RHIM结构域突变的小鼠上发现11,但是其生物学意义和机制仍是未知。317号的cell杂志报道了IAV激活ZBP1起始坏死的具体机制。Siddharth课题组发现IAV产生的ZRNA是促发坏死的死亡信号12。 本文作者通过对转录组的KEGG分析,发现在Setdb1敲除的肠干细胞中,有大量类病毒的积累。通过对结合在ZBP1上的核酸进行测序分析,发现这些核酸是ERV RNAZBP1N端有结合核酸的结构域,如果将此结构域剔除,Setdb1敲除导致的肠干细胞死亡可被抑制。由此,作者认为,Setdb1的缺失使得ERV重新活跃,破坏了基因组的稳定性,大量积累的ERV RNA作为死亡信号,结合并激活ZBP1启动坏死样凋亡。

不论通过小分子化合物,还是遗传上删除Zbp1抑制坏死样凋亡都能够消除小鼠肠道自发性炎症,这样的结果证明了ZBP1介导的坏死在非感染性炎症中重要病理作用。此外,通过与浙医二院,福医大附一院和中山六院的合作,在获取的IBD病人的病理样品和活检样品中发现SETDB1下调,ZBP1上调,基因组的不稳定性发生以及细胞程序性坏死激活等证据,为研究成果的转化提供了扎实的基础。该研究提出内源性的逆转录病毒是IBD自发性炎症的来源,为IBD的成因提出一个新的机制,为靶向治疗炎性肠道疾病提供了一个新的思路。

莫玮教授课题组博士研究生王瑞聪、李洪达、蔡治煜和韩家淮院士课题组吴剑锋助理教授为该论文共同第一作者;莫玮教授和韩家淮院士为该论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、厦门大学校长基金等基金的资助,在厦门大学完成。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2127-x

1. Fuchs, Y. & Steller, H. Programmed cell death in animal development and disease.Cell147, 742-758, doi:10.1016/j.cell.2011.10.033 (2011).

2. Rieux-Laucat, F., Fischer, A. & Deist, F. L. Cell-death signaling and human disease.Current opinion in immunology15, 325-331 (2003).

3.Kroemer, G.et al.Classification of cell death: recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2009.Cell death and differentiation16, 3-11, doi:10.1038/cdd.2008.150 (2009).

4. Dixon, S. J.et al.Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death.Cell149, 1060-1072, doi:10.1016/j.cell.2012.03.042 (2012).

5.Aachoui, Y., Sagulenko, V., Miao, E. A. & Stacey, K. J. Inflammasome-mediated pyroptotic and apoptotic cell death, and defense against infection.Current opinion in microbiology16, 319-326, doi:10.1016/j.mib.2013.04.004 (2013).

6. Chow, S. H., Deo, P. & Naderer, T. Macrophage cell death in microbial infections.Cellular microbiology, doi:10.1111/cmi.12573 (2016).

7. Stephenson, H. N., Herzig, A. & Zychlinsky, A. Beyond the grave: When is cell death critical for immunity to infection?Current opinion in immunology38, 59-66, doi:10.1016/j.coi.2015.11.004 (2016).

8. Restifo, N. P. Building better vaccines: how apoptotic cell death can induce inflammation and activate innate and adaptive immunity.Current opinion in immunology12, 597-603 (2000).

9. Zelenay, S. & Reis e Sousa, C. Adaptive immunity after cell death.Trends in immunology34, 329-335, doi:10.1016/j.it.2013.03.005 (2013).

10. Rock, K. L., Lai, J. J. & Kono, H. Innate and adaptive immune responses to cell death.Immunological reviews243, 191-205, doi:10.1111/j.1600-065X.2011.01040.x (2011).

11. Newton, K.et al.RIPK1 inhibits ZBP1-driven necroptosis during development.Nature540, 129-133, doi:10.1038/nature20559 (2016).

12. Thapa, R. J.et al.DAI Senses Influenza A Virus Genomic RNA and Activates RIPK3-Dependent Cell Death.Cell Host Microbe20, 674-681, doi:10.1016/j.chom.2016.09.014 (2016).

  

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