王曉東實驗室發(fā)現(xiàn)雌激素誘導細胞凋亡的分子學機制及其生理學意義
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通過近幾十年的科學研究，我們現(xiàn)在知道細胞凋亡是受一系列基因控制的程序性的細胞死亡方式，在機體正常的生長，發(fā)育以及某些生理或病理條件下被激活。其中，已知的例子有：從蝌蚪到蛙的變態(tài)發(fā)育；昆蟲的蛻變； 高等哺乳動物指間蹼的消失，如人體胚胎發(fā)育中，胚胎長到第5周時出現(xiàn)扁盤狀的肢體萌芽、手指和腳趾之間蹼的消失；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。
即使在成熟的個體中，細胞凋亡也是必不可少的。比如，細胞數(shù)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）；免疫細胞對有潛在危險細胞的清除；賦予中樞神經(jīng)系統(tǒng)可塑性。細胞凋亡的特征是，細胞起泡，皺縮，核碎裂，染色質濃縮，染色體DNA片段化和全局mRNA衰變。
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(fā)生病變，某些腫瘤的產(chǎn)生就是由于正常凋亡的細胞無法死亡而過度增殖的結果。
根據(jù)目前的研究結果，細胞凋亡可分為兩條通路：
其一，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RIP1或TRADD，進一步結合FADD和Caspase8形成complex II (DISC, Death-Inducing Signaling Complex)，使caspase8活化，進而活化其下游底物Caspase3，Caspase3的活化標志著細胞終以凋亡的形式死亡。
其二，細胞內凋亡通路（也稱線粒體凋亡通路）。該通路是受一類含有BH(Bcl-2 homology)結構域的蛋白所控制。Bax和Bak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并進一步招募Caspase9，在ATP/dATP存在的條件形成凋亡復合物(Apoptosome)使Caspase9自切割活化，進一步激活其下游底物Caspase3。在正常細胞內Bax和Bak的寡聚化被抗凋亡蛋白Bcl-2， Bcl-XL和Mcl-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癥治療的化學藥物或者用UV照射的方法激活該通路，那么在體內存在誘導內源凋亡通路體的誘導劑是什么？如何激活凋亡通路？
?細胞凋亡的形態(tài)
王曉東實驗室過去幾十年一直在研究細胞凋亡和細胞壞死的生物化學通路。2019年8月13日，曉東實驗室在《Molecular Cell》雜志在線發(fā)表了題為"Estrogen-Related Hormones Induce Apoptosis by Stabilizing Schlafen-12 Protein Turnover"的長文，文章系統(tǒng)性地揭示了雌激素(E2)作為體內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(fā)現(xiàn)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(jù)細胞死亡的形態(tài)可以判斷為細胞凋亡。通過敲除外源細胞凋亡通路和內源凋亡通路的關鍵蛋白caspase8和caspase9得出，敲除caspsae9可以完全阻斷雌激素導致的caspase3的活化，證明雌激素誘導的細胞死亡通過內源凋亡通路。但奇怪的是，即使阻斷內源凋亡通路也無法阻斷雌激素誘導的細胞死亡，但可以改變細胞死亡的形態(tài)。因此可以推測，在線粒體凋亡通路的上游存在控制該凋亡通路的關鍵步驟。
接著作者通過化合物和CRISPR全基因的篩選得出PDE3A (Phosphodiesterase 3)和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。隨后證實雌激素結合PDE3A的酶活性結構域 （PDE3A是雌激素在機體內的第四個受體，作者后續(xù)發(fā)現(xiàn)其它一些化合物也可以結合PDE3A并激活該細胞凋亡通路，因此可以推測PDE3A的水解cAMP和gAMP酶的活性結構域像是一個很大的“口袋”， 可以感知不同的化合物而激活該凋亡通路），推測結合雌激素后PDE3A的構象會發(fā)生改變，結合并穩(wěn)定其下游底物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）。
作者后續(xù)通過免疫共沉淀結合質譜技術，發(fā)現(xiàn)E2-PDE3A-SLFN12復合物的下游底物是核糖體，后續(xù)的實驗證實SLFN12結合在核糖體的RNA上。E2-PDE3A-SLFN12結合核糖體復合物后阻斷了蛋白質的翻譯，同時也阻斷了SRP(Signal Recognition Particle)與核糖體的結合，由于核糖體需要SRP的協(xié)助才能轉運到內質網(wǎng)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-2和Mcl-1的蛋白水平降低使其無法抑制Bax和Bak的活性，Bax和Bak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，并進一步激活Caspase3，最終細胞以凋亡的形式死亡。由于E2-PDE3A-SLFN12復合物作用與核糖體抑制膜蛋白質的反應，所以即使阻斷線粒體凋亡通路也無法抑制細胞死亡。該論文第一次完整地把內源凋亡誘導劑雌激素和生物化學通路解析了出來。
?雌激素(E2)誘導細胞凋亡的模型
隨后的問題是雌激素誘導細胞凋亡的生理學意義是什么? 作者后續(xù)與Abcam公司合作開發(fā)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，因此可以作為雌激素誘導細胞凋亡通路的特異標志物。根據(jù)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，且根據(jù)以前的文獻報道，胎盤的發(fā)育以及隨后在侵染子宮內膜上皮的過程中需要激活細胞凋亡通路，因此提示在胎盤的生長和發(fā)育過程中，可能該細胞凋亡通路被活化。
為了檢測在人胎盤組織內雌激素誘導的凋亡是否被激活，曉東實驗室和廣州婦女兒童醫(yī)療中心合作， 由廣州婦女兒童醫(yī)療中心提供人自然流產(chǎn)的胚胎樣本，通過免疫組化實驗證明，在流產(chǎn)的胎盤組織的多核滋養(yǎng)層細胞內檢測到很強的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(fā)育過程中起重要的作用。該通路是否影響人胚胎的流產(chǎn)還需進一步的研究。
論文鏈接：
https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(19)30497-6
注：本文轉載自北京生命科學研究所。
