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上海巴斯德所/哈佛大学医学院研究揭示双硫仑抑制细胞焦亡

近期,中科院上海巴斯德研究所刘星与美国哈佛大学医学院吴皓Judy LiebermanNature Immunology期刊联合发表文章,题目位“FDA-approved disulfiram inhibits pyroptosis by blocking gasdermin D pore formation”。研究表明双硫仑通过阻断GSDMD膜孔形成抑制细胞焦亡。

上海巴斯德所/哈佛大学医学院研究揭示双硫仑抑制细胞焦亡

作者简介

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    刘星    吴皓   Judy Lieberman

 

研究方向

刘星:课题组致力于机体免疫应答及其调控分子机制研究(信息来源参考资料1)。

吴皓:Our laboratory of structural immunology focuses on elucidating the molecular mechanism of signal transduction by immune receptors, especially innate immune receptors(信息来源参考资料2)。

Judy LiebermanThe Lieberman lab studies cytotoxic T lymphocytes (CTL) that are key cells in the immune defense against viral infection and cancer(信息来源参考资料3)

 

基本概念
 

细胞焦亡(Pyroptosis)是一种新发现的炎症细胞程序性死亡方式。

背景与意义
 

细胞焦亡主要通过炎症小体介导包含Caspase-1在内的多种Caspase的激活,造成包括GSDMD在内的多种Gasdermin家族成员发生剪切和多聚化,造成细胞穿孔,进而引起细胞死亡。

细胞焦亡信号通路包括依赖Caspase-1的经典途径和依赖Caspase-4511的非经典途径。作为炎症小体活化的最终共同效应子,GSDMDN末端结构域(GSDMD-NT)与自抑制C末端结构域(GSDMD-CT)之间的连接处被炎性胱天蛋白酶裂解。

细胞焦亡的发现为这些严重的人类疾病的靶向治疗带来了新的希望。

实验结果
 

首先作者通过高通量筛选,在3752个小分子中鉴定出三个化合物能显著抑制GSDMD的膜孔形成活性:C-22C-23C-24。其中效果最佳的C-23,就是我们熟知的戒酒药双硫仑(图1)

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1:高通量筛选鉴定双硫仑为GSDMD孔形成的抑制剂

那么是否C-22C-23C-24能够抑制细胞焦亡呢?作者用尼日利亚菌素(nigericin)LPS处理THP-1细胞和小鼠BMDM细胞,分别触发经典和非经典炎症小体引起的细胞焦亡,结果显示只有双硫仑显著抑制两种途径诱导的焦亡(图2)。此外,双硫仑也能抑制IL-1β的分泌。

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2:双硫仑抑制细胞焦亡和IL-1β分泌

随后作者发现,双硫仑不影响CaspaseGSDMD的剪切,但可以直接抑制切割后的N末端GSDMD的成孔活性(图3,通过液相色谱串联质谱进一步分析表明GSDMD蛋白191位半胱氨酸(Cys191)被双硫仑分子的一半对称结构所修饰(图4。这些数据表明,双硫仑通过直接靶向共价修饰Cys191来抑制GSDMD孔的形成。进一步的炎症小体活化通路验证表明,双硫仑对caspase的活化,IL-1β的剪切、分泌无明显影响。

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3:双硫仑对脂质体渗漏的抑制作用主要是通过直接抑制GSDMD孔形成而介导的

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4:双硫仑共价修饰GSDMD Cys191

最后,作者通过腹腔注射LPS的方法构建了小鼠脓毒症模型,结果显示双硫仑处理后小鼠脓毒症小鼠血清中的炎症因子水平显著降低,小鼠存活率提高。并且通过GSDMD基因缺失试验证明了双硫仑对野生型小鼠TNFIL-6分泌的抑制作用很大程度上依赖于其对GSDMD孔形成的抑制作用(图5)

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5:双硫仑保护LPS引起的败血症

文章结论
 

总而言之, 本研究通过高通量筛选鉴定1、双硫仑能够抑制细胞焦亡;2、双硫仑通过靶向GSDMD191位半胱氨酸残基,从而抑制GSDMD的成孔活性;3、体内试验证明了双硫仑缓解了LPS诱导的小鼠脓毒血症,且提高小鼠生存率。

原文链接:https://www-nature-com.eur.idm.oclc.org/articles/s41590-020-0669-6

参考资料:

  1. http://sourcedb.shanghaipasteur.cas.cn/zw/kydw/yjzz/201804/t20180411_4995080.html
  2. https://www.dfhcc.harvard.edu/insider/member-detail/member/hao-wu-phd/
  3. http://www.childrenshospital.org/research/researchers/l/judy-lieberman

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