王曉東實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)雌激素誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的分子學(xué)機(jī)制及其生理學(xué)意義
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通過(guò)近幾十年的科學(xué)研究，我們現(xiàn)在知道細(xì)胞凋亡是受一系列基因控制的程序性的細(xì)胞死亡方式，在機(jī)體正常的生長(zhǎng)，發(fā)育以及某些生理或病理?xiàng)l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(chóng)的蛻變； 高等哺乳動(dòng)物指間蹼的消失，如人體胚胎發(fā)育中，胚胎長(zhǎng)到第5周時(shí)出現(xiàn)扁盤(pán)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(xì)胞死亡，是眼睛對(duì)光通透性重要的一步。
即使在成熟的個(gè)體中，細(xì)胞凋亡也是必不可少的。比如，細(xì)胞數(shù)目和組織大小的控制（平均每個(gè)成年人每天損失50-700億個(gè)細(xì)胞）；免疫細(xì)胞對(duì)有潛在危險(xiǎn)細(xì)胞的清除；賦予中樞神經(jīng)系統(tǒng)可塑性。細(xì)胞凋亡的特征是，細(xì)胞起泡，皺縮，核碎裂，染色質(zhì)濃縮，染色體DNA片段化和全局mRNA衰變。
最終細(xì)胞的內(nèi)容物被細(xì)胞膜包裹成凋亡小體，凋亡小體被附近的巨噬細(xì)胞所吞噬，因此細(xì)胞凋亡不會(huì)引起免疫反應(yīng)。機(jī)體無(wú)時(shí)無(wú)刻不進(jìn)行著細(xì)胞凋亡，如果該死亡通路被阻斷，則機(jī)體會(huì)發(fā)生病變，某些腫瘤的產(chǎn)生就是由于正常凋亡的細(xì)胞無(wú)法死亡而過(guò)度增殖的結(jié)果。
根據(jù)目前的研究結(jié)果，細(xì)胞凋亡可分為兩條通路：
其一，細(xì)胞外凋亡通路。該通路是由細(xì)胞外TNFα-TNFR (TNFα Receptor)等誘導(dǎo)凋亡的細(xì)胞介素所介導(dǎo)。如TNFα結(jié)合細(xì)胞膜上的受體TNFα Receptor，從而招募RIP1或TRADD，進(jìn)一步結(jié)合FADD和Caspase8形成complex II (DISC, Death-Inducing Signaling Complex)，使caspase8活化，進(jìn)而活化其下游底物Caspase3，Caspase3的活化標(biāo)志著細(xì)胞終以凋亡的形式死亡。
其二，細(xì)胞內(nèi)凋亡通路（也稱線粒體凋亡通路）。該通路是受一類(lèi)含有BH(Bcl-2 homology)結(jié)構(gòu)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(xì)胞色素C釋放到細(xì)胞漿中結(jié)合Apaf-1并進(jìn)一步招募Caspase9，在ATP/dATP存在的條件形成凋亡復(fù)合物(Apoptosome)使Caspase9自切割活化，進(jìn)一步激活其下游底物Caspase3。在正常細(xì)胞內(nèi)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(nèi)源凋亡通路有一個(gè)重要的問(wèn)題沒(méi)有回答，之前研究?jī)?nèi)源凋亡通路通常用癌癥治療的化學(xué)藥物或者用UV照射的方法激活該通路，那么在體內(nèi)存在誘導(dǎo)內(nèi)源凋亡通路體的誘導(dǎo)劑是什么？如何激活凋亡通路？
?細(xì)胞凋亡的形態(tài)
王曉東實(shí)驗(yàn)室過(guò)去幾十年一直在研究細(xì)胞凋亡和細(xì)胞壞死的生物化學(xué)通路。2019年8月13日，曉東實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)文，文章系統(tǒng)性地揭示了雌激素(E2)作為體內(nèi)誘導(dǎo)內(nèi)源凋亡通路的分子學(xué)機(jī)制及其生理學(xué)意義。
作者在研究卵巢衰老課題的過(guò)程中，偶然發(fā)現(xiàn)雌激素在2.5-10 μM（遠(yuǎn)高于血液濃度）可以誘導(dǎo)HeLa細(xì)胞死亡，根據(jù)細(xì)胞死亡的形態(tài)可以判斷為細(xì)胞凋亡。通過(guò)敲除外源細(xì)胞凋亡通路和內(nèi)源凋亡通路的關(guān)鍵蛋白caspase8和caspase9得出，敲除caspsae9可以完全阻斷雌激素導(dǎo)致的caspase3的活化，證明雌激素誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡通過(guò)內(nèi)源凋亡通路。但奇怪的是，即使阻斷內(nèi)源凋亡通路也無(wú)法阻斷雌激素誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，但可以改變細(xì)胞死亡的形態(tài)。因此可以推測(cè)，在線粒體凋亡通路的上游存在控制該凋亡通路的關(guān)鍵步驟。
接著作者通過(guò)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(guān)鍵蛋白，敲除任何一個(gè)基因可以完全阻斷雌激素誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。隨后證實(shí)雌激素結(jié)合PDE3A的酶活性結(jié)構(gòu)域 （PDE3A是雌激素在機(jī)體內(nèi)的第四個(gè)受體，作者后續(xù)發(fā)現(xiàn)其它一些化合物也可以結(jié)合PDE3A并激活該細(xì)胞凋亡通路，因此可以推測(cè)PDE3A的水解cAMP和gAMP酶的活性結(jié)構(gòu)域像是一個(gè)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(cè)結(jié)合雌激素后PDE3A的構(gòu)象會(huì)發(fā)生改變，結(jié)合并穩(wěn)定其下游底物SLFN12（在正常條件下SLFN12通過(guò)泛素通路被降解，在細(xì)胞內(nèi)的水平很低，幾乎檢測(cè)不到）。
作者后續(xù)通過(guò)免疫共沉淀結(jié)合質(zhì)譜技術(shù)，發(fā)現(xiàn)E2-PDE3A-SLFN12復(fù)合物的下游底物是核糖體，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)SLFN12結(jié)合在核糖體的RNA上。E2-PDE3A-SLFN12結(jié)合核糖體復(fù)合物后阻斷了蛋白質(zhì)的翻譯，同時(shí)也阻斷了SRP(Signal Recognition Particle)與核糖體的結(jié)合，由于核糖體需要SRP的協(xié)助才能轉(zhuǎn)運(yùn)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的外模進(jìn)一步合成細(xì)胞內(nèi)的膜分泌蛋白，E2-PDE3A-SLFN12的結(jié)合使核糖體無(wú)法合成細(xì)胞內(nèi)的膜蛋白。
導(dǎo)致Bcl-2和Mcl-1的蛋白水平降低使其無(wú)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(xì)胞色素C釋放到細(xì)胞質(zhì)中激活Caspase9，并進(jìn)一步激活Caspase3，最終細(xì)胞以凋亡的形式死亡。由于E2-PDE3A-SLFN12復(fù)合物作用與核糖體抑制膜蛋白質(zhì)的反應(yīng)，所以即使阻斷線粒體凋亡通路也無(wú)法抑制細(xì)胞死亡。該論文第一次完整地把內(nèi)源凋亡誘導(dǎo)劑雌激素和生物化學(xué)通路解析了出來(lái)。
?雌激素(E2)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的模型
隨后的問(wèn)題是雌激素誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的生理學(xué)意義是什么? 作者后續(xù)與Abcam公司合作開(kāi)發(fā)出SLFN12的單克隆抗體，由于SLFN12只有在雌激素誘導(dǎo)的條件下才能被檢測(cè)到，因此可以作為雌激素誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡通路的特異標(biāo)志物。根據(jù)之前的研究結(jié)論，體內(nèi)只有在一個(gè)部位的雌激素可以達(dá)到誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的濃度，那就是懷孕期的胎盤(pán)組織。胎盤(pán)組織雌激素的局部濃度最高可以達(dá)到12 μM，且根據(jù)以前的文獻(xiàn)報(bào)道，胎盤(pán)的發(fā)育以及隨后在侵染子宮內(nèi)膜上皮的過(guò)程中需要激活細(xì)胞凋亡通路，因此提示在胎盤(pán)的生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程中，可能該細(xì)胞凋亡通路被活化。
為了檢測(cè)在人胎盤(pán)組織內(nèi)雌激素誘導(dǎo)的凋亡是否被激活，曉東實(shí)驗(yàn)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(guò)免疫組化實(shí)驗(yàn)證明，在流產(chǎn)的胎盤(pán)組織的多核滋養(yǎng)層細(xì)胞內(nèi)檢測(cè)到很強(qiáng)的SLFN12信號(hào)，且SLFN12信號(hào)與活化的Caspase3信號(hào)存在共定位。揭示雌激素誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡在人胎盤(pán)侵染和發(fā)育過(guò)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(jìn)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(zhuǎn)載自北京生命科學(xué)研究所。
