2019年11月14日,来自美国Genentech公司的Vishva M. Dixit研究组在Nature杂志上发表题为Activity of caspase-8 determines plasticity between cell death pathways的研究文章,发现肠道上皮细胞的CASP8(C362A)通过活化ASC,活化蛋白酶caspase-1,从而诱导细胞死亡,而RIPK3同样参与这一现象。


 美国科学家揭示Caspase-8决定细胞死亡的不同方式


由多项报道指出,在癌症细胞中,caspase-8参与了TRAIL所介导的细胞因子产生和释放,并且,通过FADD招募RIPK1,激活NFκB通路的基因转录。另外,caspase-8还参与了三型Toll样受体(Toll-like receptor 3,简称TLR3)依赖的NLRP3炎症小体(NLRP3 inflammasome)活化。所以,作者首先研究这些机制是否可以解释Casp8C362A/C362AMlkl−/−小鼠所呈现肠道萎缩和围产期致死现象。早在胚胎期16.5天(E16.5)Casp8C362A/C362AMlkl−/− 小鼠的肠道就发生了明显的炎症现象。与Mlkl−/− 小鼠小鼠比较,Casp8C362A/C362AMlk−l−/− 小鼠的肠腔内有大量淋巴细胞浸润,Cxcl10, Mgl2 和 Spic等基因表达量也明显升高。而Casp8−/−Mlkl−/− 小鼠的炎症发生程度介于上述两种小鼠之间。


与此同时,作者以Mlkl−/−,Casp8C362A/+Mlkl−/− ,Casp8C362A/C362AMlkl−/−这三种小鼠为背景,分别构建了同时敲除Nlrp3, Fadd,Ripk1,Casp11,Casp1,Asc,Gsdmd,Ripk3等基因的小鼠,并监控其胚胎致死情况。作者发现:(1)在围产期,缺失酶活性的caspase-8(Casp8C362A/C362A)具有诱导细胞死亡的功能,而这一功能并不依赖于NLRP3,FADD和RIPK1,也就是说,并不依赖于炎症小体活化和细胞凋亡途径;(2)对于参与细胞焦亡通路(pyroptotic cell death)的两种蛋白酶caspase-1和caspase-11,caspase-1是Casp8C362A/C362AMlkl−/− 小鼠胚胎期致死的原因之一,而caspase-11则主要参与了其新生期致死现象;(3)敲除了Ripk3的小鼠,其生存能力明显提升,而同时敲除caspase-1,caspase-11和Ripk3的小鼠,Casp8活性缺失所导致的小鼠致死现象,基本上得到了恢复。上述这些结果说明,CASP8 (C362A)与caspase-1,caspase-11和Ripk3这三者通过直接或者间接的相互作用,可以决定小鼠的生死存亡。


接下来,作者进一步深入研究上述四者之间的关系。有报道指出,在细菌感染过程中,caspase-8可以与caspase-1的接头蛋白ASC发生相互作用,所以,作者猜测,CASP8(C362A)通过ASC从而活化caspase-1的。作者在Casp8C362A/C362AMlkl−/−Casp1−/−Casp11−/−小鼠肠道样本中发现了明显的ASC斑点(ASC specks),这表示ASC发生活化,而Mlkl−/−Casp1−/−Casp11−/−小鼠却没有发现这一现象。这些结果说明,CASP8(C362A)可以诱导ASC的活化。


最后,作者构建了肠道上皮细胞特异突变Casp8的小鼠Casp8cC362A/C362AVillincre,并发现,肠道上皮细胞的CASP8(C362A)突变,是导致小鼠肠道萎缩和围产期致死现象的原因,但是,并不是通过MLKL所介导的细胞坏死途径。Casp8cC362A/C362AMlkl−/−Villincre小鼠与Mlkl−/−Villincre 或者Casp8cC362A/C362AVillincre相比,GSDMD,caspase-7和caspase-3的剪切水平都明显升高,这也说明,在MLKL缺失的情况下,CASP8(C362A)同样可以促进细胞死亡。


综合上述结果,作者发现了Casp8C362A/C362AMlkl−/− 小鼠胚胎致死现象的具体机制,即肠道上皮细胞的CASP8(C362A)通过活化ASC,活化蛋白酶caspase-1,从而诱导细胞死亡。


这篇文章的亮点在于其实验材料的运用。作者以Casp8C362A/C362AMlkl−/− 小鼠胚胎致死而Casp8−/−Mlkl−/−小鼠生存良好这一现象为切入点,选取了几条细胞死亡途径的关键基因,包括参与细胞坏死的RIPK3和MLKL,参与细胞焦亡的caspase-1和caspase-11,还有细胞凋亡的FADD和RIPK1,通过不同的排列组合,构建了十几种双敲除,三敲除以及转基因小鼠,从而研究caspase8在这三条细胞死亡通路之中的作用。


关于蛋白酶caspase-8


蛋白酶caspase-8同时具有诱导和抑制细胞死亡的功能:它可以通过死亡受体(Death receptor),比如TNFR1来诱导细胞凋亡(Apoptosis),同时,也可以通过激酶RIPK3和MLKL来抑制细胞坏死(Necroptosis)。caspase-8缺失或者突变(CASP8 C362A)的小鼠呈现胚胎致死现象,但是,Casp8C362A/C362AMlkl−/− 小鼠呈现肠道萎缩和围产期死亡现象,而Casp8−/−Mlkl−/−小鼠却生存良好,这一结果说明具有酶活性和缺失酶活性的caspase-8,很可能在细胞死亡过程中行使不同的功能。


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