蒋争凡组报道细胞凋亡维持“天然免疫沉默”的分子机制

　　外来病原体的入侵能够激活宿主的天然免疫反应，包括：1）抗感染I-型干扰素等细胞因子的产生；2）炎性小体（inflammasome）的活化；3）细胞凋亡（apoptosis）活化以杀死被感染的细胞【1】。虽然三者对于清除病原微生物都很重要，但任何一条通路的过度活化均会引起自身免疫疾病的发生，如系统性红斑狼疮（I-型干扰素过度产生）和类风湿性关节炎（炎性因子过度产生）等，所以研究天然免疫系统的稳态调控具有重要的理论及实际意义。

　　2017年，北京大学生命科学学院蒋争凡课题组发表在Immunity中的工作发现了炎性小体活化后负调控I-型干扰素通路【2】。病原微生物感染细胞并激活炎性小体后，被活化的炎性蛋白酶（Inflammatory caspases：Casp-1/-11/-4/-5）切割识别病毒DNA的cGAS（主要是切割 cGAS 蛋白的第 140 和 157 位天冬氨酸，使 cGAS 功能受到极大的丧失，导致 cGAMP 合成减少，从而抑制 DNA 病毒感染诱导的 cGAS-STING 信号通路的活化），抑制胞质DNA诱导的I-型干扰素产生。炎性小体缺陷小鼠在DNA病毒刺激下产生更多的细胞因子，因而对病毒感染有更强的抵抗能力。

　　病原微生物感染会导致的细胞凋亡通路被活化，那么不同于活化的炎性蛋白酶（Casp-1/-11/-4/-5），活化的凋亡效应蛋白酶（ Casp-3/-6/-7）是否同样具有切割cGAS的功能呢？

　　2019年3月13日，蒋争凡课题组在Molecular Cell在线发表了题为Apoptotic Caspases Suppress Type I Interferon Production via the Cleavage of cGAS, MAVS and IRF3的最新研究成果，发现活化的凋亡蛋白酶可以切割多条天然免疫通路中的关键蛋白：cGAS、MAVS和IRF3，从而负控cGAS-STING（DNA病毒）或者RIG-I-MAVS（RNA病毒）天然免疫通路的活化，避免细胞因子的过度产生，揭示了细胞凋亡在天然免疫中的功能。

　　在本研究中，研究人员发现病原微生物感染导致的细胞凋亡通路被活化时，可以激活多个凋亡效应蛋白酶（Apoptotic effector caspases: Casp-3/-6/-7）。活化的凋亡蛋白酶切割多条天然免疫通路中的关键蛋白：cGAS, MAVS和IRF3，并使这些蛋白完全失活，以此负调节宿主细胞内cGAS-STING或者RIG-I-MAVS天然免疫通路的活化，避免细胞因子的过度产生。与此相应的是，Apoptotic caspase缺失的细胞和小鼠与野生型相比具有更强的抗病毒（DNA及RNA病毒）能力。其中，Casp-3发挥最为重要的调节作用。有趣的是，人体细胞中的Casp-7不发挥这种调控作用，而鼠源细胞Casp-7有作用，表明不同物种间免疫调控存在较大的差异。

　　更有意义的是，为了保证MAVS这个关键蛋白的失活，细胞内活化的Casp-3在MAVS的两个位点进行切割，并且只有第一位点突变后，才到第二位点进行切割；而在体外利用纯化的Casp-3蛋白进行体外切割时，Casp-3只能在第一位点切割，不能够在第一位点突变后的MAVS中进行第二位点的切割。这些结果为天然免疫信号通路间的相互调控，MAVS防止免疫过度及稳态的维持提供了新的视角。

　　细胞凋亡在机体的生命进程中无时无刻不在发生。细胞凋亡在胚胎发育阶段清除多余的和已完成使命的细胞，如指/趾间结构去除和尾巴的消失，保证胚胎的正常发育；在成年个体中清除衰老和病变的细胞，如皮肤细胞的脱落和消化道细胞的更替、泌乳后乳腺的消退及免疫细胞的阳/阴性选择，维持器官细胞的动态平衡，保证机体的健康。这些随时都在发生的细胞凋亡与其它所有类型细胞死亡都不同的是：细胞凋亡不引起天然免疫的活化，即死亡细胞保持“天然免疫沉默”。这样的“免疫沉默”对于机体的正常生理活动是至关重要的。否则胚胎无法正常发育，而成年个体则会始终处于发炎状态。

　　以往的多项研究表明，细胞凋亡过程中线粒体DNA（mtDNA）会伴随细胞色素c被释放到细胞质中，而这些胞质中的mtDNA会强烈激活cGAS-STING通路，产生I-型干扰素并导致炎症反应。因此，细胞凋亡如何维持“天然免疫沉默”是一个非常有意义的、悬而未决的科学问题。2014年，Richard Flavell团队【3】及Benjamin Kile团队【4】在Cell发表的两篇文章同时指出Apoptotic caspases在此过程中起关键作用，但是具体机制不清楚。蒋争凡课题组的上述发现表明，凋亡活化的Casp-3/-6/-7通过切割cGAS和IRF3有效阻断mtDNA诱导的cGAS-STING活化，进而避免I-型干扰素产生及炎症反应的发生。同时，切割MAVS和IRF3则能完全阻断RIG-I-MAVS介导的天然免疫活化。这些结果很好地解释了细胞凋亡如何保证“天然免疫沉默”这个重要的科学问题。

　　总之，这项研究进一步证明病原微生物感染细胞后激活的①I-型干扰素产生、②细胞凋亡与③炎症小体活化三者之间存在互相制约的精密调节，为天然免疫稳态维持及自身免疫疾病的治疗提供了理论依据。同时提示人们在临床使用各类Caspase抑制剂时，需充分考虑Caspase被抑制后可能产生的不当的免疫活化；而另一方面，Caspase抑制剂有可能作为新型的免疫促进剂。

　　据悉，2013级北京大学生科院博士生宁小涵、2010级北大-清华生命科学联合中心博士生王宇涛（已毕业）和2016级北京大学博士生景淼为论文的共同第一作者，生命科学学院/北大--清华生命科学联合中心的蒋争凡教授为通讯作者。

　　原文链接：

　　https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.02.013

　　参考文献

　　1. Goubau, D., Deddouche, S., and Reis e Sousa, C. (2013). Cytosolic sensing of viruses. Immunity 38, 855–869.

　　2. Wang, Y., Ning, X., Gao, P., Wu, S., Sha, M., Lv, M., Zhou, X., Gao, J., Fang, R., Meng, G., et al. (2017). Inflammasome Activation Triggers Caspase-1-Mediated Cleavage of cGAS to Regulate Responses to DNA Virus Infection. Immunity 46, 393–404.

　　3. Rongvaux, A., Jackson, R., Harman, C.C., Li, T., West, A.P., de Zoete, M.R., Wu, Y., Yordy, B., Lakhani, S.A., Kuan, C.Y., et al. (2014). Apoptotic caspases prevent the induction of type I interferons by mitochondrial DNA. Cell 159,1563–1577.

　　4. White, M.J., McArthur, K., Metcalf, D., Lane, R.M., Cambier, J.C., Herold, M.J., van Delft, M.F., Bedoui, S., Lessene, G., Ritchie, M.E., et al. (2014). Apoptotic caspases suppress mtDNA-induced STING-mediated type I IFN production. Cell 159, 1549–1562.