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王晓东實驗室发现雌激素诱导细胞凋亡的分子学机制及其生理学意义

發布時間:2019/08/14

通过近几十年的科學研究,我们现在知道细胞凋亡是受一系列基因控制的程序性的细胞死亡方式,在机体正常的生长,发育(已知的例子有:a, 從蝌蚪到蛙的變態發育;b, 昆蟲的蛻變;c, 高等哺乳動物指間蹼的消失,如人體胚胎發育中,胚胎長到第5周時出現扁盤狀的肢體萌芽,手指和腳趾之間蹼的消失;d, 眼睛玻璃體和晶狀體的細胞死亡,是眼睛對光通透性重要的一步)以及某些生理或病理條件下被激活。即使在成熟的個體中,細胞凋亡也是必不可少的(比如a, 細胞數目和組織大小的控制(平均每個成年人每天損失50-700億個細胞;b, 免疫細胞對有潛在危險細胞的清除;c, 赋予中枢神经系统可塑性)。 细胞凋亡的特征是,细胞起泡,皱缩,核碎裂,染色质浓缩,染色体DNA片段化和全局mRNA衰變(1)。最終細胞的內容物被細胞膜包裹成凋亡小體,凋亡小體被附近的巨噬細胞所吞噬,因此細胞凋亡不會引起免疫反應。機體無時無刻不進行著細胞凋亡,如果該死亡通路被阻斷則機體會發生病變,某些腫瘤的産生就是由于正常凋亡的細胞無法死亡而過度增殖的結果。


1. 細胞凋亡的形態

根據目前的研究結果細胞凋亡可分爲兩條通路:

1,細胞外凋亡通路,該通路是由細胞外TNFα-TNFR (TNFα Receptor)等誘導凋亡的細胞介素所介導。如TNFα結合細胞膜上的受體TNFα Receptor,從而招募RIP1TRADD,近一步結合FADDCaspase8形成complex II (DISC, Death-Inducing Signaling Complex),使caspase8活化,進而活化其下遊底物Caspase3Caspase3的活化標志著細胞終以凋亡的形式死亡。

2,細胞內凋亡通路[7-10](也稱線粒體凋亡通路),是受一類含有BH(Bcl-2 homology)結構域的蛋白所控制。BaxBak的寡聚化作用與線粒體的外模使線粒體的外模形成孔道,使細胞色素C釋放到細胞漿中結合Apaf-1並進一步招募Caspase9,在ATP/dATP存在的條件形成凋亡複合物(Apoptosome)使Caspase9自切割活化,進一步激活其下遊底物Caspase3。在正常細胞內BaxBak的寡聚化被抗凋亡蛋白Bcl-2 Bcl-XLMcl-1所抑制。

但內源凋亡通路有一個重要的問題沒有回答,之前研究內源凋亡通路通常用癌症治療的化學藥物或者用UV照射的方法激活該通路,那麽在體內存在誘導內源凋亡通路體的誘導劑是什麽?如何激活凋亡通路?


王晓东實驗室过去几十年一直在研究细胞凋亡和细胞坏死的生物化学通路。2019813日,晓东實驗室在《Molecular Cell雜志在線發表了題爲"Estrogen-Related Hormones Induce Apoptosis by Stabilizing Schlafen-12 Protein Turnover"的長文,文章系統性的揭示了雌激素(E2)作爲體內誘導誘導內源凋亡通路的分子學機制及其生理學意義。

作者在研究卵巢衰老課題的過程中偶然發現雌激素在2.5-10 μM(遠高于血液濃度)可以誘導HeLa細胞死亡,根據細胞死亡的形態可以判斷爲細胞凋亡。通過敲除外源細胞凋亡通路和內源凋亡通路的關鍵蛋白caspase8caspase9得出,敲除caspsae9可以完全阻斷雌激素導致的caspase3的活化,证明雌激素诱导的细胞死亡通过内源凋亡通路。 但奇怪的是即使阻断内源凋亡通路也无法阻断雌激素诱导的细胞死亡,但可以改变细胞死亡的形态。因此可以推测,在线粒体凋亡通路的上游存在控制该凋亡通路的关键步骤。接着作者通过化合物和CRISPR全基因的篩選得出PDE3A (Phosphodiesterase 3)SLFN12( Schlafen family member 12)是該凋亡通路的關鍵蛋白,敲除任何一個基因可以完全阻斷雌激素誘導的細胞凋亡。隨後證實雌激素結合PDE3A的酶活性結構域 (PDE3A是雌激素的在機體內的第四個受體,作者後續發現其它一些化合物也可以結合PDE3A並激活該細胞凋亡通路,因此可以推測PDE3A的水解cAMPgAMP酶的活性结构域像是一个很大的‘口袋’, 可以感知不同的化合物而激活该凋亡通路),推測結合雌激素後PDE3A的構象會發生改變,結合並穩定其下遊底物SLFN12(在正常條件下SLFN12通過泛素通路被降解,在細胞內的水平很低,幾乎檢測不到)。作者後續通過免疫共沈澱結合質譜技術發現E2-PDE3A-SLFN12複合物的下遊底物是核糖體,後續的實驗證實SLFN12結合在核糖體的RNA上。E2-PDE3A-SLFN12結合核糖體複合物後阻斷了蛋白質的翻譯,同時也阻斷了SRPSignal Recognition Particle)與核糖體的結合,由于核糖體需要SRP的協助才能轉運到內質網的外模進一步合成細胞內的膜分泌蛋白,E2-PDE3A-SLFN12的結合使核糖體無法合成細胞內的膜蛋白。導致Bcl-2Mcl-1的蛋白水平降低使其無法抑制BaxBak的活性,BaxBak寡聚化作用與線粒體的外膜形成孔道使細胞色素C釋放到細胞質中激活Caspase9,並進一步激活Caspase3,最终细胞以凋亡的形式死亡(圖2)。由于E2-PDE3A-SLFN12複合物作用與核糖體抑制膜蛋白質的翻譯,所以即使阻斷線粒體凋亡通路也無法抑制細胞死亡。該論文第一次完整的把內源凋亡誘導劑雌激素和生物化學通路解析了出來。

隨後的問題是雌激素誘導細胞凋亡的生理學意義是什麽? 作者後續與Abcam公司合作開發出SLFN12的單克隆抗體,由于SLFN12只有在雌激素誘導的條件下才能被檢測到,因此可以作爲雌激素誘導細胞凋亡通路的特異標志物。根據之前的研究結論,體內只有在一個部位的雌激素可以達到誘導細胞凋亡的濃度,那就是懷孕期的胎盤組織。胎盤組織雌激素的局部濃度最高可以達到12 μM,且根据以前的文献报道,胎盘的发育以及随后在侵染子宫内膜上皮的过程中需要激活细胞凋亡通路,因此提示在胎盘的生长和发育过程中可能该细胞凋亡通路被活化。为了检测在人胎盘组织内雌激素诱导的凋亡是否被激活,晓东實驗室和广州妇女儿童医疗中心合作, 由广州妇女儿童医疗中心提供人自然流产的胚胎样本,通过免疫组化实验证明,在流产的胎盘组织的多核滋养层细胞内检测到很强的SLFN12信號,且SLFN12信號與活化的Caspase3信號存在共定位。揭示雌激素誘導的細胞凋亡在人胎盤侵染和發育過程中起重要的作用。該通路是否影響人胚胎的流産還需進一步的研究。

2. 雌激素(E2)誘導細胞凋亡的模型

王晓东實驗室的博后李典镕博士,55彩票与中国农业大学联合培养的博士生陈洁是本文共同第一作者,王晓东實驗室的博后艾有为博士在CRISPR全基因的篩選和雌激素結合PDE3A方面做出重要的工作。广州妇女儿童医疗中心的顾晓琼主任,李莉主任,车迪博士提供人子宫内膜和人胚胎组织,并帮助后期免疫组化实验结果的分析。该论文的其他作者还包括55彩票姜招娣博士,李琳,陈涉博士,黄焕维博士,王家文博士,蔡涛博士,曹杨,齐湘兵博士。王晓东为本文的通讯作者。该课题的研究经费来自中国科技部和北京市科学技术委员会。

原文鏈接:

https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(19)30497-6