【Nature】3i晶格光片活细胞三维实时动态成像揭示细胞焦亡质膜破裂的分子机制

细胞死亡可根据其最终形态不同分为溶解性(Lytic)和非溶解性(Non-lytic)两种类型。质膜破裂(Plasma membrane rupture,PMR)是溶解性细胞死亡的终末事件。PMR会释放细胞内的分子,这个过程被称为损伤相关分子模式(Damage-associated molecular patterns,DAMP),该过程会传递炎症反应。然而一直以来,关于PMR过程的具体分子机制仍不清楚。

 
非溶解性(Non-lytic)和溶解性(Lytic)细胞死亡
 

2021年1月20日,美国Genentech公司Vishva M. Dixit研究组在Nature杂志上发表了一篇题为 ‘NINJ1 mediates plasma membrane rupture during lytic cell death’ 的文章,该研究通过遗传筛选鉴定出了NINJ1因子在PMR中的重要调控作用,推翻了一直以来认为细胞死亡相关的质膜破裂是一个被动事件的观点。

 

 

在这篇文章中,作者利用3i晶格光片显微镜(3i Lattice LightSheet Microscope)对骨髓源性巨噬细胞(bone marrow-derived macrophages,BMDMs)进行实时动态三维成像。

作者首先利用三维荧光共定位成像,验证了NINJ1蛋白主要在细胞膜表面表达,同时在高尔基体也有部分表达。

 
3D荧光共定位验证NINJ1蛋白主要表达在细胞膜表面
 

随后作者对Ninj1缺陷型(Ninj1/)BMDMs细胞进行成像,观察其细胞焦亡的动态过程。在用尼日利亚菌素刺激细胞后,Ninj1/ BMDMs细胞停止移动、膨胀并形成气泡状突出物,但和野生型BMDMs的细胞焦亡过程相比,Ninj1/ BMDMs并未直接裂解,而是在很长一段时间内保持气球状形态,因此无法释放细胞内的多种蛋白质(促炎症因子等),从而一定程度上抑制炎症反应的传递。

 
三维动态成像揭示Ninj1/ BMDMs细胞焦亡过程
 

最后,作者对NINJ1调节PMR过程的分子机制进行研究,通过对NINJ1的蛋白质结构域进行分析,发现BMDMs细胞在未受到刺激时,NINJ1会以二聚体或三聚体的形式存在,在响应细胞焦亡刺激后,NINJ1会进一步多聚化,诱导PMR过程。利用3i晶格光片显微镜验证了这一动态过程,在受到尼日利亚菌素刺激后,细胞中的NINJ1产生了多个类似斑点的聚集体,证明了NINJ1在PMR过程中的多聚化。

 
NINJ1在响应细胞焦亡刺激后进一步多聚化
 

总而言之,文章揭示了NINJ1调节PMR过程以及DAMPs释放的具体分子机制,以及其在炎症反应的传递过程中发挥的关键性作用。进一步的实验表明,在内源表达NINJ1的细胞中加入NINJ1的单克隆抗体,能够显著抑制PMR过程。因此,NINJ1具有作为治疗靶点的重要潜力。

 


 

[参考文献]

Kayagaki, N., Kornfeld, O.S., Lee, B.L. et al. NINJ1 mediates plasma membrane rupture during lytic cell death. Nature 591, 131–136 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03218-7

 

 

 

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