专访王莹飞:新细胞死亡方式——Parthanatos的死亡因子

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2016年10月28日 来源:生物通

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  细胞死亡有很多种方式,今年荣膺诺贝尔生理或医学奖的细胞自噬研究也属于其中之一(即II型程序性细胞死亡)。2007年,约翰霍普金斯大学医学院Ted Dawson与Valina Dawson夫妻发现了程序性脑细胞死亡的一种新形式,他们将其命名为parthanatos(thanatos: 希腊神话中死亡的象征)。

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生物通报道:细胞死亡有很多种方式,今年荣膺诺贝尔生理或医学奖的细胞自噬研究也属于其中之一(即II型程序性细胞死亡)。2007年,约翰霍普金斯大学医学院Ted Dawson与Valina Dawson夫妻发现了程序性脑细胞死亡的一种新形式,他们将其命名为parthanatos(thanatos: 希腊神话中死亡的象征),这种新的细胞死亡方法出现在中风、阿尔茨海默症、帕金森病和罕见的致命遗传疾病亨廷顿病中,因此对其展开研究具有重要的意义。

今年10月,约翰霍普金斯大学医学院和德州大学西南医学中心的一组研究人员通过蛋白芯片筛选发现了parthanatos通路中的细胞死亡因子,并发现了一种特殊蛋白会导致中风过程中脑细胞的最终死亡,这种被称为巨噬细胞移动抑制因子(MIF)。这个蛋白在线粒体凋亡诱导因子(AIF)帮助下进入细胞核后,就发动了细胞核中基因组的切割,导致细胞死亡。

AIF本身并不能切割DNA,因此当时Dawson实验室的博士后研究员王莹飞(Yingfei Wang)博士(她目前任职德州大学西南医学中心助理教授)用蛋白芯片来筛选成千上万个人类蛋白质,来寻找与AIF相互作用最密切的蛋白质,最终她找到了巨噬细胞移动抑制因子(MIF)。

而且更重要的是,他们也发现了一些化合物,可在实验室培养的细胞中阻断MIF的作用,从而保护它们免于parthanatos,因此这一发现将有助于研发针对大脑损伤的新治疗方法。

这一研究成果公布在Science杂志上,为了进一步了解这项重要的成果,生物通特联系了王博士,就读者感兴趣的问题请教了她。

生物通:Parthanatos是什么?

王博士:Parthanatos,又称PARP-1 dependent cell death, 是基于DNA损伤,PARP-1激活的一种新的程序性细胞坏死形式。

PAPR抑制剂和PARP基因敲除可以有效阻止该细胞死亡。Parthanatos (par + thanatos) 最初是由Dawson实验室根据“Par” (PARP酶活产物)和“thanatos”(希腊语死亡之神)而命名。简单地讲,当环境中的DNA损伤化学物质或氧化应激副产物损伤DNA的时候,PARP-1 过度激活,造成PAR产物的聚集,并进一步引起AIF从线粒体释放并携带MIF去细胞核,最终剪切染色体DNA,执行细胞死亡任务。

这种细胞死亡广泛地存在于不同的器官不同的疾病中,包括缺血-再灌注损伤、谷氨酸神经毒性、帕金森病、阿尔茨海默症、多发性硬化症、亨廷顿氏舞蹈病、心脏病、糖尿病和炎症疾病等。

生物通:Parthanatos具有什么特点,只有脑细胞中才有吗?

王博士:parthanatos是基于PARP-1的激活的一种程序性细胞坏死的新形式。这种细胞死亡广泛地存在于多种器官中,不是仅局限于神经系统。该细胞死亡有以下一些特点(具体也可参见 2009年我的综述: Wang Y. et al.,Exp Neurol. 2009):

1)PARP-1激活产生大量的PAR (poly(ADP-ribose)).

2)AIF 从线粒体释放转到细胞核

3)染色质凝聚(chromatin condensation),产生大量大片断DNA (20-50 kb)。

4)不依赖于caspase。Caspase抑制剂无法阻止这种死亡。

5) PARP 抑制剂和PARP-1沉默或敲除能阻止parthanatos细胞死亡。

生物通:研究通过蛋白芯片筛选发现了parthanatos通路中的细胞死亡因子,这些实验的样本来自于哪里,具体是如何进行筛选的呢?

王博士:我们通过两步筛选:
1)用蛋白芯片筛选AIF 相互作用蛋白。蛋白芯片(含有大约17,000种人的蛋白)是由约翰霍普金斯大学医学院的Heng Zhu博士和 Seth Blackshaw博士提供。

2)细胞死亡的功能性筛选。基于第一步筛选,我们定制了siRNA SMART Pool targeting 160种人类基因,然后筛选那些对parthanatos死亡有抗性的基因。

生物通:在这之后您将重点放在了MIF(巨噬细胞迁移抑制因子)上,为何选择了这个因子呢?

王博士:通过两步连续的筛选,我们找到了两个主要的死亡因子。用shRNA降低这两个死亡因子中的任何一个的表达能显著降低parthanatos死亡,效果与PARP-1 knockdown 相类似。根据蛋白序列及3D结构对分析,我们发现这两个因子中只有MIF蛋白可能具有DNA剪切酶功能。

生物通:MIF是个什么因子?

王博士:我们发现MIF具有核酸酶的新功能,能在中风引起的脑损伤后剪切染色体DNA,从而引起神经细胞死亡。MIF核酸酶的调控及该核酸酶的生理及病理的功能还需进一步研究。

生物通:目前是否筛选出了能避免细胞死亡的化合物,能否发展成临床应用的药物?

王博士:操控MIF核酸酶活性的化合物的研究目前正在进行中,如果实验成功,希望能将其应用于临床。

生物通:我们注意到您已经从约翰霍普金斯大学来到德州大学西南医学中心进行科研工作,能否介绍一下您之前的科研成果?

王博士:我在德国马格德堡大学攻读博士学位期间主要从事对一个G蛋白家族 Protease-activated receptors 介导的钙信号和炎症因子释放在神经系统损伤修复的功能研究。在约翰霍普金斯大学博士后期间,主要研究两个问题:

1)在DNA损伤和 PARP-1激活之后,细胞是如何调控AIF从线粒体释放并转移到细胞核;相关研究发表在Science Signaling(Wang Y et al., 2011).
2)在DNA损伤和 PARP-1激活之后,是什么因子切割细胞核內DNA导致细胞死亡。相关研究发表在Science(Wang Y et al., 2016)。

由于我在2014年12月份到德州大学西南医学中心进行科研工作,第二问题的研究是在约翰霍普金斯大学和德州大学西南医学中心共同合作完成。

作者简介:
王莹飞

在德国马格德堡大学取得博士学位之后,2007年加入约翰霍普金斯医学院从事博士后研究工作,目前任德州大学西南医学中心助理教授。

原文摘要:
A nuclease that mediates cell death induced by DNA damage and poly(ADP-ribose) polymerase-1
Inhibition or genetic deletion of poly(ADP-ribose) (PAR) polymerase-1 (PARP-1) is protective against toxic insults in many organ systems. The molecular mechanisms underlying PARP-1–dependent cell death involve release of mitochondrial apoptosis-inducing factor (AIF) and its translocation to the nucleus, which results in chromatinolysis. We identified macrophage migration inhibitory factor (MIF) as a PARP-1–dependent AIF-associated nuclease (PAAN). AIF was required for recruitment of MIF to the nucleus, where MIF cleaves genomic DNA into large fragments. Depletion of MIF, disruption of the AIF-MIF interaction, or mutation of glutamic acid at position 22 in the catalytic nuclease domain blocked MIF nuclease activity and inhibited chromatinolysis, cell death induced by glutamate excitotoxicity, and focal stroke. Inhibition of MIF’s nuclease activity is a potential therapeutic target for diseases caused by excessive PARP-1 activation.

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