營養與健康所章海兵研究組揭示泛素結合蛋白ABIN1調控不同細胞死亡通路和炎癥反應網絡新機制

作者: 2022-04-18 來源:
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2022年4月16日,國際學術期刊Cell Death and Differentiation在線發表了中科院上海營養與健康研究所章海兵研究組題為“Ubiquitin-binding domain in ABIN1 is critical for regulating cell death and inflammation during development”的研究成果。該研究揭示了泛素結合蛋白ABIN1通過泛素結合功能域抑制RIPK1激酶依賴的細胞凋亡和細胞程序性壞死發生的新機制,闡明了ABIN1與FADD介導的凋亡及RIPK3介導細胞程序性壞死,協同調控RIPK1依賴的I-型干擾素及TNF-α產生的新型調控網絡,為通過誘導和轉換不同細胞死亡方式調控炎癥反應,防治炎癥性疾病以及開發新型腫瘤免疫治療新方法提供了理論基礎和新思路。 
細胞死亡與增殖對于維持機體穩態平衡至關重要,從根本上來說,絕大多數疾病都歸因于細胞死亡過多、過少或形式異常。近年來越來越多的新型細胞死亡方式被發現,而不同的細胞死亡方式包括細胞凋亡、細胞程序性壞死以及細胞焦亡等通路之間還存在緊密的互作關系,盡管不同的死亡方式在神經退行性疾病,自身免疫性疾病,病原感染以及腫瘤等疾病中都有著重要的作用,但對于不同死亡通路如何協同參與這些疾病的發生發展的分子機制并不清楚。同時,由于不同細胞死亡方式能夠通過不同級聯信號誘導復雜的炎癥反應,因此不同細胞死亡方式如何互作及調控炎癥信號通路參與機體的重要生理病理進程,成為目前亟需解決的關鍵科學問題。
ABIN1是由Tnip1基因編碼的泛素結合蛋白,能夠與A20蛋白結合并抑制NF-κB的激活。在人類中Abin1基因的突變會引起嚴重的自身免疫性疾病,如銀屑病、系統性紅斑狼瘡等。之前研究報道Abin1基因敲除小鼠在胚胎發生期間因胎肝細胞凋亡、貧血和發育不全而死亡,Abin1敲除細胞對TNF-α誘導的細胞凋亡更敏感,Tnf-α基因缺失能夠挽救Abin1敲除導致的胚胎致死,這些發現證明了ABIN1對TNF-α誘導的細胞凋亡的抑制作用。隨著細胞程序性壞死被發現,近期有研究報道Abin1敲除的細胞也更容易發生細胞程序性壞死,但ABIN1在不同生理病理條件下如何協同調控不同細胞死亡通路及其互作機制仍不清楚。另有文章報道死亡復合體I中的多個關鍵泛素調控蛋白與細胞凋亡、細胞壞死關鍵因子同時缺失能誘導I-型干擾素的過度分泌從而導致胚胎發育致死,提示泛素化修飾是細胞凋亡、細胞壞死以及I-型干擾素信號通路之間發生聯系的重要調控方式,但其具體機制并不清楚。
在本研究中,研究人員首先通過對ABIN1的UBD結構域進行靶向基因編輯獲得UBD結構域失活的Abin1UBD/UBD小鼠,通過小鼠遺傳學研究發現Abin1UBD/UBD小鼠類似于之前報道的Abin1-/-小鼠,死于胚胎期17.5天,揭示ABIN1的UBD 結構域在小鼠胚胎發育過程中具有關鍵作用;進一步研究發現Abin1UBD/UBD小鼠的胚胎組織表現出細胞凋亡和細胞程序性壞死的過度激活,通過分離Abin1UBD/UBD胚胎成纖維細胞進行體外試驗,發現ABIN1UBD突變激活的細胞凋亡和細胞程序性壞死是依賴于RIPK1的激酶活性;RIPK1激酶突變的小鼠(Ripk1K45A/K45A)可以挽救 Abin1UBD/UBD小鼠的胚胎致死,并能正常存活到成年。機制研究發現ABIN1通過UBD 結構域識別復合體I中泛素化RIPK1,進而招募去泛素化蛋白A20到復合體I調控RIPK1的泛素化水平;ABIN1UBD突變導致A20的招募減少,從而導致復合體I中泛素化的RIPK1增加,RIPK1的泛素化能促進RIPK1激酶活性依賴的磷酸化激活,從而促使死亡復合體的形成增加,介導細胞凋亡和細胞壞死的過度發生。因此阻斷細胞凋亡和細胞程序性壞死能挽救Abin1UBD/UBD小鼠的胚胎致死,但意外的是,盡管Fadd+/-Ripk3-/-小鼠能將Abin1UBD/UBD小鼠挽救至成年,但Abin1UBD/UBDFadd-/-Ripk3-/-小鼠在胚胎期14.5天死亡,這提示ABIN1具有非常重要的細胞死亡非依賴的功能。研究人員進一步研究發現Abin1UBD/UBDFadd-/-Ripk3-/-小鼠的胚胎組織有過度的炎癥因子產生,造成造血系統發育缺陷從而導致胚胎死亡。通過分離 Abin1UBD/UBDFadd-/-Ripk3-/-細胞進行體外試驗,發現Abin1UBD/UBDFadd-/-Ripk3-/-細胞中自發激活RIPK1誘導TNF-α以及I-型干擾素等多種炎癥因子的過度產生;通過敲除Ripk1可以挽救Abin1UBD/UBDFadd-/-Ripk3-/-小鼠的胚胎致死,揭示ABIN1在細胞凋亡與細胞程序性壞死缺失的條件下能抑制RIPK1泛素化介導的多種炎癥因子的產生。為了進一步探究細胞凋亡、細胞壞死以及炎癥因子之間的作用關系,研究人員構建了Abin1UBD/UBDFadd-/-Ripk3-/-Ifnar?/?Tnfr1?/?五個基因同時缺失的小鼠并證實其能挽救Abin1UBD/UBDFadd-/-Ripk3-/--,證實I-型干擾素不是泛素修飾與細胞凋亡、細胞壞死協同調控的唯一重要炎癥因子,而I-型干擾素、TNF-α等多炎癥因子是關鍵炎癥調控因子。
綜上所述,該研究揭示了泛素結合蛋白ABIN1調控RIPK1激活依賴的細胞凋亡和細胞程序性壞死的關鍵分子機制,同時通過構建十幾種多基因敲除小鼠遺傳模型證實了不同死亡信號通路與炎癥信號通路之間的互作調控關系,為通過調控不同細胞死亡方式及炎癥反應通路治療相關疾病提供了理論基礎和新思路。 
中科院上海營養與健康研究所博士后李明為該論文的第一作者,章海兵研究員為通訊作者。該研究得到了上海交通大學附屬瑞金醫院等合作者的大力支持,并獲得國家自然科學基金委、科技部及中國科學院的資助,同時也得到了中國科學院上海營養與健康研究所公共技術平臺和動物平臺的支持。
 
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