吴浩教授Cell文章细胞死亡机制新发现

【字体: 时间:2012年07月24日 来源:生物通

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  淀粉样蛋白沉积物常被视为垃圾——阻塞细胞的有毒废物。在最新一期(7月20日)《细胞》(Cell)杂志的一篇论文中,研究人员证实至少有一种类型的淀粉样蛋白在生理信号中发挥了至关重要的作用。

  

生物通报道  淀粉样蛋白沉积物常被视为垃圾——阻塞细胞的有毒废物。在最新一期(7月20日)《细胞》(Cell)杂志的一篇论文中,研究人员证实至少有一种类型的淀粉样蛋白在生理信号中发挥了至关重要的作用。

领导这一研究的是康奈尔大学威尔医学院前结构生物学家、现任职波士顿儿童医院的吴浩(Hao Wu)教授和麻省大学医学院细胞死亡专家Francis Chan。吴浩教授的主要研究方向是通过X射线晶体学手段,同时结合其他生物物理学和生物化学方法,研究细胞应答外部信号导致的增殖或死亡过程,参与细胞内信号通路的蛋白质之间的相互作用。其在免疫学、信号转导和细胞凋亡等综合领域做出了出色的成绩,是在美优秀的女华人结构生物学家。

在文章中,研究人员报告称参与坏死性细胞死亡的蛋白激酶形成了淀粉样蛋白纤维(amyloid fibrils)。在缺乏纤维形成的情况下,会导致坏死信号出现故障,表明这一结构是该信号通路的一个关键特征。从而提出了一个尚未得到解答却诱人的问题:坏死淀粉样蛋白是否可能以某种方式与存在于阿尔茨海默氏症中的β淀粉样蛋白纤维发生了互作。

加州大学洛杉矶分校的David Teplow说:“本文首次证明了淀粉样蛋白形成在哺乳动物细胞的正常细胞过程中起着多么重要的作用。”他称赞了整个研究工作的完整性,“从物理化学的观点角度每一个你可能想象得到的途径。作者们表明这些东西是经典的淀粉样蛋白的结构。它是漂亮且令人印象深刻的工作。”

在过去的几年里,越来越多的证据表明淀粉样蛋白可以提供多种生理功能,尤其是在酵母和细菌中。迄今为止,主要已知作用包括例如蛋白质储存、支架、细胞粘附和生物膜形成等结构任务。但之前从未将淀粉样蛋白与受控细胞死亡信号联系到一起。

程序性细胞死亡可能是凋亡性的(apoptotic)或是坏死性的(necrotic)。受体相互作用蛋白激酶1和3 (RIP1和RIP3)充当着细胞命运调控的总开关。根据生理情况,这些蛋白质可以调节细胞生存、凋亡或坏死。为了触发坏死,RIP1和RIP3形成了一种称之为“necrosome”的蛋白质复合体。这些激酶随后磷酸化并激活坏死信号通路中的下游蛋白。过去的研究证实RIP1和RIP3通过RIP同型结构域(RIP homotypic interaction motif,. RHIM)彼此结合,但necrosome的性质还尚未得到阐明。

为了检测这一结构,第一作者李继希(Jixi Li,生物通音译)在细胞培养物中共表达了标记人类RIP1和RIP3。令人惊讶地是,蛋白质形成了非常大的复合物。李继希和同事们利用电子显微镜、元二色光谱、傅立叶变换红外光谱和固态核磁共振光谱等各种生物化学技术,证实了这些复合物就是淀粉样蛋白纤维。这些纤维显示出典型的淀粉样蛋白形态特性。它们结合淀粉样蛋白染料,例如硫代黄素T(hioflavin T)和刚果红,具有高度稳定性,只在严酷的化学条件下溶解。此外,RIP1/RIP3复合物可以在RIP激酶的单体溶液中促进快速聚合,此为淀粉样蛋白的另一个特性。

结构分析表明纤维包括了包埋的淀粉样蛋白核心,外面被长的柔软的延伸肽所包绕。RIP激酶结构域被发现存在于这些延伸肽中,有可能保持了其球形形态和活性。为了确定淀粉样蛋白形成区域,研究人员生成了来自每个蛋白质RHIM结构域的短肽。他们发现这些大小为19个氨基酸(RIP3)和31个氨基酸(RIP1)的片段仍然彼此结合。通过逐个突变这些核心域的残基,作者们发现只有每个RHIM中心的6个或7个氨基酸突变才会破坏淀粉样蛋白的形成。这证实淀粉样蛋白核心非常的小。

作者们随后检测了功能。利用野生型RIP激酶转染的人类细胞培养物在受到适当细胞死亡信号刺激时会经受坏死。而与之相反,用淀粉样蛋白缺陷RIP突变体转染的细胞则能忽视死亡信号旺盛生长。同样,用淀粉样蛋白染料处理细胞培养物会抑制淀粉样蛋白复合物形成,并阻止坏死。这些实验表明淀粉样蛋白结构为恰当坏死信号所必需。有趣的是,这些不能形成淀粉样蛋白的突变体也几乎没有激酶活性,表明淀粉样蛋白的形成有助于开启这些激酶。

基于这些发现,作者们提出了一种模式:在正常细胞情况下RIP单体长的无序的侧翼序列掩藏了核心RHIM序列,阻止了蛋白质相互作用形成淀粉样蛋白。细胞死亡信号开启这些激酶,使它们自发磷酸化。这些带电荷的磷酸基团互相排斥,开放蛋白暴露出RHIM结构域,RIP1和RIP3可以随后彼此结合,进一步促进自身(auto-)和交叉(cross-)磷酸化,导致在前馈回路中更大程度的聚集。这种模式是有意义的,Teplow同意说,因为细胞需要控制淀粉样蛋白的形成。否则,这些淀粉样蛋白纤维可能会阻塞细胞,或在正常情况下触发不必要的细胞死亡。磷酸化可能对这一过程起一种敏感监控机制的作用。

在它们的原始细胞死亡后这些坏死性淀粉样蛋白纤维又发生了什么?吴浩教授尚不清楚,但她表示她正在研究这一问题。她怀疑这些坏死性淀粉样结构是否有可能与β淀粉样蛋白纤维发生了串扰,有可能帮助加重了阿尔茨海默氏症。在未来的工作中,她和Chan将在体外和阿尔茨海默氏症小鼠模型中检测这一想法。

比利时VIB和根特大学的细胞死亡专家Peter Vandenabeele表示赞同其可能与阿尔茨海默氏症存在关联。“因为淀粉样蛋白结构有可能诱导其他淀粉样蛋白形态蛋白共聚集,可以想象坏死过程有可能促进了阿尔茨海默氏症的发病。”他补充道如果确实如此,利用RIP激酶抑制剂则或有可能能够延迟阿尔茨海默氏症形成。

(生物通:何嫱)

生物通推荐原文摘要:

The RIP1/RIP3 Necrosome Forms a Functional Amyloid Signaling Complex Required for Programmed Necrosis

RIP1 and RIP3 kinases are central players in TNF-induced programmed necrosis. Here, we report that the RIP homotypic interaction motifs (RHIMs) of RIP1 and RIP3 mediate the assembly of heterodimeric filamentous structures. The fibrils exhibit classical characteristics of β-amyloids, as shown by Thioflavin T (ThT) and Congo red (CR) binding, circular dichroism, infrared spectroscopy, X-ray diffraction, and solid-state NMR. Structured amyloid cores are mapped in RIP1 and RIP3 that are flanked by regions of mobility. The endogenous RIP1/RIP3 complex isolated from necrotic cells binds ThT, is ultrastable, and has a fibrillar core structure, whereas necrosis is partially inhibited by ThT, CR, and another amyloid dye, HBX. Mutations in the RHIMs of RIP1 and RIP3 that are defective in the interaction compromise cluster formation, kinase activation, and programmed necrosis in vivo. The current study provides insight into the structural changes that occur when RIP kinases are triggered to execute different signaling outcomes and expands the realm of amyloids to complex formation and signaling.

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