Nature | Caspase-8决定细胞死亡的不同方式

撰文 | 我的闺蜜老红帽

责编 | 兮

蛋白酶caspase-8同时具有诱导和抑制细胞死亡的功能：它可以通过死亡受体（Death receptor），比如TNFR1来诱导细胞凋亡（Apoptosis）【1】，同时，也可以通过激酶RIPK3和MLKL来抑制细胞坏死（Necroptosis）【2-4】。caspase-8缺失或者突变（CASP8 C362A）的小鼠呈现胚胎致死现象【4,5】，但是，Casp8^C362A/C362AMlkl^−/− 小鼠呈现肠道萎缩和围产期死亡现象，而Casp8^−/−Mlkl^−/−小鼠却生存良好，这一结果说明具有酶活性和缺失酶活性的caspase-8，很可能在细胞死亡过程中行使不同的功能。

2019年11月14日，来自美国Genentech公司的Vishva M. Dixit研究组在Nature杂志上发表题为Activity of caspase-8 determines plasticity between cell death pathways的研究文章，发现肠道上皮细胞的CASP8（C362A）通过活化ASC，活化蛋白酶caspase-1，从而诱导细胞死亡，而RIPK3同样参与这一现象。

由多项报道指出，在癌症细胞中，caspase-8参与了TRAIL所介导的细胞因子产生和释放，并且，通过FADD招募RIPK1，激活NFκB通路的基因转录【6,7】。另外，caspase-8还参与了三型Toll样受体（Toll-like receptor 3，简称TLR3）依赖的NLRP3炎症小体（NLRP3 inflammasome）活化。所以，作者首先研究这些机制是否可以解释Casp8^C362A/C362AMlkl^−/−小鼠所呈现肠道萎缩和围产期致死现象。早在胚胎期16.5天（E16.5）Casp8^C362A/C362AMlkl^−/− 小鼠的肠道就发生了明显的炎症现象。与Mlkl^−/− 小鼠小鼠比较，Casp8^C362A/C362AMlk−l^−/− 小鼠的肠腔内有大量淋巴细胞浸润，Cxcl10, Mgl2 和 Spic等基因表达量也明显升高。而Casp8^−/−Mlkl^−/− 小鼠的炎症发生程度介于上述两种小鼠之间。

与此同时，作者以Mlkl^−/−，Casp8^C362A/+Mlkl^−/− ，Casp8^C362A/C362AMlkl^−/−这三种小鼠为背景，分别构建了同时敲除Nlrp3， Fadd，Ripk1，Casp11，Casp1，Asc，Gsdmd，Ripk3等基因的小鼠，并监控其胚胎致死情况。作者发现：（1）在围产期，缺失酶活性的caspase-8（Casp8^C362A/C362A）具有诱导细胞死亡的功能，而这一功能并不依赖于NLRP3，FADD和RIPK1，也就是说，并不依赖于炎症小体活化和细胞凋亡途径；（2）对于参与细胞焦亡通路（pyroptotic cell death）的两种蛋白酶caspase-1和caspase-11，caspase-1是Casp8^C362A/C362AMlkl^−/− 小鼠胚胎期致死的原因之一，而caspase-11则主要参与了其新生期致死现象；（3）敲除了Ripk3的小鼠，其生存能力明显提升，而同时敲除caspase-1，caspase-11和Ripk3的小鼠，Casp8活性缺失所导致的小鼠致死现象，基本上得到了恢复。上述这些结果说明，CASP8 （C362A）与caspase-1，caspase-11和Ripk3这三者通过直接或者间接的相互作用，可以决定小鼠的生死存亡。

接下来，作者进一步深入研究上述四者之间的关系。有报道指出，在细菌感染过程中，caspase-8可以与caspase-1的接头蛋白ASC发生相互作用【8,9】，所以，作者猜测，CASP8（C362A）通过ASC从而活化caspase-1的。作者在Casp8^C362A/C362AMlkl^−/−Casp1^−/−Casp11^−/−小鼠肠道样本中发现了明显的ASC斑点（ASC specks），这表示ASC发生活化，而Mlkl^−/−Casp1^−/−Casp11^−/−小鼠却没有发现这一现象。这些结果说明，CASP8（C362A）可以诱导ASC的活化。

最后，作者构建了肠道上皮细胞特异突变Casp8的小鼠Casp8^cC362A/C362AVillin^cre，并发现，肠道上皮细胞的CASP8（C362A）突变，是导致小鼠肠道萎缩和围产期致死现象的原因，但是，并不是通过MLKL所介导的细胞坏死途径。Casp8^cC362A/C362AMlkl^−/−Villin^cre小鼠与Mlkl^−/−Villin^cre 或者Casp8^cC362A/C362AVillin^cre相比，GSDMD，caspase-7和caspase-3的剪切水平都明显升高，这也说明，在MLKL缺失的情况下，CASP8（C362A）同样可以促进细胞死亡。

综合上述结果，作者发现了Casp8^C362A/C362AMlkl^−/− 小鼠胚胎致死现象的具体机制，即肠道上皮细胞的CASP8（C362A）通过活化ASC，活化蛋白酶caspase-1，从而诱导细胞死亡。

这篇文章的亮点在于其实验材料的运用。作者以Casp8^C362A/C362AMlkl^−/− 小鼠胚胎致死而Casp8^−/−Mlkl^−/−小鼠生存良好这一现象为切入点，选取了几条细胞死亡途径的关键基因，包括参与细胞坏死的RIPK3和MLKL，参与细胞焦亡的caspase-1和caspase-11，还有细胞凋亡的FADD和RIPK1，通过不同的排列组合，构建了十几种双敲除，三敲除以及转基因小鼠，从而研究caspase8在这三条细胞死亡通路之中的作用。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1752-8

制版人：珂

参考文献

1. Varfolomeev, E. E. et al. Targeted disruption of the mouse Caspase 8 gene ablates cell death induction by the TNF receptors, Fas/Apo1, and DR3 and is lethal prenatally. Immunity 9, 267–276 (1998).

2. Oberst, A. et al. Catalytic activity of the caspase-8-FLIPL complex inhibits RIPK3-dependent necrosis. Nature 471, 363–367 (2011).

3. Kaiser, W. J. et al. RIP3 mediates the embryonic lethality of caspase-8-deficient mice. Nature 471, 368–372 (2011).

4. Alvarez-Diaz, S. et al. The pseudokinase MLKL and the kinase RIPK3 have distinct roles in autoimmune disease caused by loss of death-receptor-induced apoptosis. Immunity 45, 513–526 (2016).

5. Newton, K. et al. Cleavage of RIPK1 by caspase-8 is crucial for limiting apoptosis and necroptosis. Nature 574, 428–431 (2019).

6. Henry, C. M. & Martin, S. J. Caspase-8 acts in a non-enzymatic role as a scaffold for assembly of a pro-inflammatory “FADDosome” complex upon TRAIL stimulation. Mol. Cell 65, 715–729 (2017).

7. Hartwig, T. et al. The TRAIL-induced cancer secretome promotes a tumor-supportive immune microenvironment via CCR2. Mol. Cell 65, 730–742 (2017).

8. Pierini, R. et al. AIM2/ASC triggers caspase-8-dependent apoptosis in Francisella-infected caspase-1-deficient macrophages. Cell Death Differ. 19, 1709–1721 (2012).

9. Man, S. M. et al. Salmonella infection induces recruitment of caspase-8 to the inflammasome to modulate IL-1β production. J. Immunol. 191, 5239–5246 (2013).