科研進展
Nature | 丁璟珒與邵峰團隊破解GSDMB可變剪接調控細胞焦亡活性的分子機理
北京生命科學研究所/清華大學生物醫學交叉研究院邵峰團隊在2020年發現，細胞毒性淋巴細胞分泌的顆粒酶A(GZMA)特異地切割和活化靶細胞內gasdermin家族的成員GSDMB，通過GSDMB N端結構域的膜打孔活性引起靶細胞焦亡(1)。2021年一篇發表在Cell上的研究報道了痢疾桿菌感染的腸上皮細胞中GSDMB雖然能被GZMA切割活化，但GSDMB并沒有引發細胞焦亡，而是通過其N端結構域直接在細菌細胞膜上打孔來殺菌，并且他們發現痢疾桿菌分泌的效應蛋白IpaH7.8能夠介導GSDMB的泛素化降解，從而拮抗宿主的這種免疫防御機制(2)。而另一項研究則認為IpaH7.8能夠在人體腸上皮細胞中識別和降解焦亡蛋白GSDMD從而逃逸宿主的天然免疫防御(3)。2022年發表在Cell的一項工作也沒有檢測到GSDMB N端結構域介導細胞焦亡的活性, 而認為全長的GSDMB蛋白具有調控腸上皮細胞增殖和遷移的功能，幫助腸上皮維持結構和修復損傷(4)。
本研究有效地解決了這些爭議，成功地澄清了GSDMB沒有細胞焦亡活性的錯誤認識，指出細胞中GSDMB不同亞型是研究GSDMB生理功能必需考慮的重要因素，首次破解了GSDMB通過轉錄水平的可變剪接調控細胞焦亡活性的精確分子機理
2023年3月29日，中國科學院生物物理研究所丁璟珒課題組與北京生命科學研究所/清華大學生物醫學交叉研究院邵峰團隊的合作研究在Nature在線上發表了題為“Structural mechanisms for regulations of GSDMB pore-forming activity”的論文，破解了GSDMB可變剪接調控細胞焦亡活性的分子機理。
研究人員發現，效應蛋白IpaH7.8可以通過其N端的LRR結構域與焦亡蛋白GSDMB結合，并通過特異性識別GSDMB的N端膜打孔結構域介導GSDMB泛素化降解。同時，他們還成功解析了IpaH7.8 LRR結構域與GSDMB復合物的晶體結構，并首次揭示了GSDMB全長蛋白自抑制狀態的結構特征。
除了GSDMB，IpaH7.8還能夠結合另一種焦亡蛋白GSDMD，并介導其泛素化降解。這說明痢疾桿菌效應蛋白IpaH7.8可以特異性地拮抗宿主免疫防御。
與gasdermin家族的其它成員不同，GSDMB的編碼基因在轉錄時會通過mRNA可變剪切產生不同的蛋白亞型。這些GSDMB亞型幾乎具有相同的N端和C端結構域，并且都能夠被IpaH7.8特異識別并降解。GSDMB不同亞型的序列差別主要來自由外顯子6和7編碼的連接區，導致它們在被GZMA切割后產生的膜打孔結構域具有不同的C末端序列。
研究人員驚訝地發現，GSDMB的不同亞型具有完全不同的膜打孔和細胞焦亡活性。通過解析GSDMB在脂質體膜上形成的分子孔道的高分辨率冷凍電鏡三維結構，揭示了GSDMB的N端結構域如何識別酸性磷脂，并通過構象變化寡聚成孔的結構基礎。此外，該研究還顯示，6號外顯子是GSDMB寡聚組裝的不可或缺的結構元件。
這些新發現清晰地闡明了GSDMB不同亞型之間造成膜打孔和細胞焦亡活性不同的分子基礎。之前兩篇發表在Cell雜志的工作(2,4)采用了一種非經典可變剪接產生的GSDMB亞型(isoformU)，其在6號外顯子前面的插入序列破壞了GSDMB的N端結構域寡聚成孔的能力，因此沒有觀察到GSDMB引起的細胞焦亡。
進一步的實驗表明，在人體腸道原代上皮細胞中，具有細胞焦亡活性的GSDMB亞型占主要比例(超過70%)，而isoformU的轉錄水平極低(低于5%)。這表明，激活的GSDMB在感染時通過介導感染的細胞發生焦亡來實現免疫防御。
此外，研究還發現GSDMB不同亞型的轉錄表達水平在多種人體腫瘤細胞系中存在顯著差異。同時，這些腫瘤細胞的GZMA激活細胞焦亡的能力與GSDMB具有焦亡活性亞型的轉錄水平高度相關。
這項研究工作清楚地揭示了痢疾桿菌效應蛋白IpaH7.8通過靶向膜打孔結構域的保守識別機制泛素化降解兩種焦亡蛋白從而拮抗宿主的免疫防御，而細胞毒性淋巴細胞介導病原菌感染的靶細胞發生焦亡是一種重要的抗細菌免疫防御機制。
本研究還澄清了“GSDMB缺乏細胞焦亡活性”的錯誤認知，強調了細胞中GSDMB不同亞型的重要性，這是研究GSDMB生理功能必須考慮的因素。
參考文獻
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1. Zhou Z, He H, Wang K, et al. Granzyme A from cytotoxic lymphocytes cleaves GSDMB to trigger pyroptosis in target cells[J]. Science, 2020, 368(6494): eaaz7548.
2. Hansen J M, de Jong M F, Wu Q, et al. Pathogenic ubiquitination of GSDMB inhibits NK cell bactericidal functions[J]. Cell, 2021, 184(12): 3178-3191. e18.
3. Luchetti G, Roncaioli J L, Chavez R A, et al. Shigella ubiquitin ligase IpaH7. 8 targets gasdermin D for degradation to prevent pyroptosis and enable infection[J]. Cell host & microbe, 2021, 29(10): 1521-1530. e10.
4. Rana N, Privitera G, Kondolf H C, et al. GSDMB is increased in IBD and regulates epithelial restitution/repair independent of pyroptosis[J]. Cell, 2022, 185(2): 283-298. e17.
論文鏈接
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05872-5
