Science | 吕奔团队发现高体温引起脏器功能衰竭的关键机理
危重症是指病情严重且威胁患者生命的综合征，常由感染、创伤、高体温等诱发。其中，感染诱发的危重症为脓毒症（Sepsis），造成全球每年1100万患者死亡。高体温诱发的危重症为热射病（Heatstroke，又称“重度中暑”）。随着全球气候变暖，热射病引起的死亡人数逐年增加。脓毒症与热射病常表现为全身炎症反应、弥散性血管内凝血（DIC）和多脏器衰竭。但感染和高体温如何诱导上述病理生理学反应的机理过去不甚清楚。
吕奔教授团队围绕危重症的发病机制开展了系列研究，揭示了HMGB1-caspase-11途径介导的程序性细胞死亡在脓毒症中发挥重要的致死效应（详见BioArt报道：Immunity丨吕奔组揭示脓毒症休克和多脏器衰竭发生的重要病理生理机制）【1】，阐明了脓毒症中HMGB1-caspase-11途径介导的程序性细胞死亡通过诱发DIC促进多脏器衰竭与死亡（详见BioArt报道：Immunity | 吕奔团队解密细菌感染诱发凝血反应的机制 ；Blood | 吕奔团队揭示脓毒症诱发弥散性血管内凝血的机制）【2,3】，发现了肝素靶向干预HMGB1-caspase-11途径能有效减低脓毒症的死亡率（详见BioArt报道：Immunity | 吕奔团队揭示肝素抑制有害免疫反应的机制）【4】。
依据上述思路，2022年05月05日，中南大学湘雅三医院吕奔教授团队在Science上在线发表Research article, 题为 Z-DNA binding protein 1 promotes heatstroke-induced cell death，揭示了热射病的重要致死机理——高体温通过ZBP1蛋白诱发过度的程序性细胞死亡，进而导致DIC与多脏器损伤。
利用前期脓毒症研究中获得的线索与思路，该团队采用高环境温度（39℃）与高湿度（60%）制备热射病小鼠模型，探讨了程序性细胞死亡在热射病中的作用，发现了高体温通过RIPK3途径而非HMGB1-caspase-11途径诱发多种程序性细胞死亡，进而导致DIC与多脏器损伤。高体温可诱导肝、肺及肠等器官组织中RIPK3和MLKL的磷酸化，以及caspase-8等凋亡相关蛋白的剪切；敲除RIPK3基因能防止高体温诱发的炎症反应、DIC、多脏器损伤与死亡。该团队随后采用RIPK3激酶失活小鼠、MLKL敲除小鼠及MLKL-Caspase-8双基因敲除小鼠，证实了高体温诱导的致死效应主要依赖RIPK3激酶与其磷酸化底物MLKL介导的程序性细胞坏死，小部分依赖caspase-8介导的程序性细胞死亡（图1）。上述发现颠覆了既往学术观点—“高体温通过物理性损伤导致组织细胞死亡和炎症反应”，阐述了高体温通过诱发RIPK3介导的程序性细胞死亡在热射病的发生发展中起重要作用。
图1：RIPK3途径的活化介导高体温诱发的DIC、多脏器损伤与死亡
该研究中的一项重要发现是：热应激能直接诱发RIPK3依赖的程序性细胞死亡。既往研究报道：肿瘤坏死因子、细菌内毒素、双链RNA等在caspase抑制剂的协同作用下能诱导RIPK3依赖的细胞程序性死亡；病毒感染等产生的Z-型核酸也能启动RIPK3的活化。为了探讨高体温诱导程序性细胞死亡与脏器损伤的机制，该团队建立了热应激的多种细胞模型，在体外实验中首次发现：单独热应激即能诱导RIPK3依赖的MLKL磷酸化与caspase-8剪切，从而引起程序性细胞死亡；敲除RIPK3基因能阻断上述生化反应与细胞死亡。
依据上述发现，该团队进一步鉴定了Z-DNA结合蛋白-1（ZBP1）为热应激诱发RIPK3磷酸化与程序性细胞死亡的关键分子。既往研究表明：ZBP1为一种细胞内的模式识别受体，能被病毒或宿主来源的Z型核酸活化，在抗病毒感染中发挥重要作用。吕奔团队首次发现了：ZBP1是热应激活化RIPK3和细胞程序性死亡的关键分子，并介导高体温诱导的DIC、多脏器损伤与死亡。有趣的是，热应激能诱导ZBP1的表达。生物信息学分析提示ZBP1基因启动子上存在热休克因子1（HSF1）的结合元件。通过突变分析，该团队证实了热应激通过诱导HSF1与ZBP1基因启动子的结合来增强ZBP1的表达。
该团队发现仅ZBP1的表达不足以导致RIPK3的活化与细胞程序性死亡，在探讨热应激如何活化ZBP1的过程中发现了：高温诱导的ZBP1活化不依赖其对Z型核酸的识别。ZBP1蛋白含有Za结构域与RHIM结构域。其中，Za结构域的主要功能是识别病毒或宿主来源的Z型核酸。既往的学术观点认为：Za结构域与Z型核酸的结合是ZBP1活化的必要环节。然而，该团队通过构建一系列ZBP1突变体发现：热应激诱导的ZBP1活化依赖RHIM结构域而并不依赖Za结构域。虽然Za结构域缺失的ZBP1完全不能被病毒感染所激活，但它仍能够介导热应激诱发的RIPK3活化与程序性细胞死亡。上述发现打破了学术界对ZBP1的认识，揭示了ZBP1活化的新机制。
2021年的诺贝尔生理学或医学奖表彰了“温度和触觉感受器的发现”。其中，朱利叶斯团队发现了辣椒素受体TRPV1为一种能被热应激活化的膜离子通道，揭示了机体感知高温的机制。吕奔团队的这项研究明确提示了细胞内存在另外的“温度感受器”，当受到热应激时能诱发ZBP1与RIPK3依赖的程序性细胞死亡。该通路虽然可能在抗感染免疫中发挥保护作用，但在持续性高体温作用下可诱发过度的细胞程序性死亡，最终引起DIC、炎症反应、多脏器损伤乃至死亡（图2）。
图2：热应激诱导细胞程序性死亡及多脏器损伤的分子机制模式图
综上，该研究发现了热射病的重要致病机理，提示了细胞内存在调节细胞程序性死亡与免疫反应的“温度感受器”，揭示了ZBP1活化的新机制，展示了温度感应、细胞程序性死亡与脏器功能衰竭之间的内在联系，为热射病等危重症的防治提供了重要思路。
中南大学湘雅三医院袁芳芳博士为第一作者，吕奔教授为通讯作者，中南大学湘雅三医院为第一单位。
原文链接
http://doi.org/10.1126/science.abg5251
参考文献
1. Deng M, Tang Y, Li W, et al. The endotoxin delivery protein HMGB1 mediates caspase-11-dependent lethality in sepsis [J]. Immunity, 2018, 49(4): 740-753.
2. Yang X, Cheng X, Tang Y, et al. Bacterial Endotoxin Activates the Coagulation Cascade through Gasdermin D-Dependent Phosphatidylserine Exposure [J]. Immunity, 2019, 51(6): 983-996.
3. Yang X, Cheng X, Tang Y, Qiu X, Wang Z, Fu G, Wu J, Kang H, Wang J, Wang H, Chen F, Xiao X, Billiar TR, Lu B. The role of type 1 interferons in coagulation induced by gram-negative bacteria [J]. Blood. 2020, 135(14): 1087-1100.
4. Tang Y, Wang X, Li Z, He Z, Yang X, Cheng X, Peng Y, Xue Q, Bai Y, Zhang R, Zhao K, Liang F, Xiao X, Andersson U, Wang H, Billiar TR, Lu B. Heparin prevents caspase-11-dependent septic lethality independent of anticoagulant properties. Immunity, 2021 Mar 9;54(3):454-467.e6.
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