ZBP1调控砷和高渗应激诱导的细胞死亡模式动态转换新机制

《Journal of Biological Chemistry》：ZBP1 Orchestrates Dynamic Transitions Between Cell Death Pathways in Response to Arsenic and Hyperosmotic Stress

本研究针对环境应激如何通过ZBP1介导程序性细胞死亡这一科学问题，通过CRISPR/Cas9全基因组筛选等技术，发现ZBP1在砷和高渗应激早期启动坏死性凋亡，后期转向凋亡和焦亡，且该过程独立于应激颗粒形成。研究揭示了KEAP1-NRF2-ROS轴和SLC9A1分别调控不同应激源诱导的细胞死亡，为理解环境毒素致组织损伤机制提供了新视角。

　　

在生命科学领域，程序性细胞死亡（PCD）是维持机体稳态的核心生物学过程。当细胞遭遇不可逆损伤时，会通过凋亡、坏死性凋亡、焦亡等不同途径主动走向死亡。其中，Z-DNA结合蛋白1（ZBP1）作为Z型核酸传感器，在病毒感染和发育过程中调控细胞死亡的机制已被广泛认知，但它在环境应激响应中的作用却如同笼罩在迷雾中的未知领域。砷污染和高渗压力作为常见环境胁迫因素，如何通过特定分子机制触发细胞死亡？这一科学问题的解答对理解环境污染相关疾病的发生机制具有重要意义。

为探索这一前沿问题，厦门大学林娟团队在《Journal of Biological Chemistry》上发表了创新性研究成果。研究人员通过系统性实验设计，揭示了ZBP1在环境应激条件下调控细胞死亡模式动态转换的精细机制。研究发现，当细胞暴露于砷酸钠（SA）或高浓度氯化钠（NaCl）时，ZBP1的表达被干扰素-γ（IFNγ）显著诱导，进而通过受体相互作用蛋白激酶3（RIPK3）和混合系列蛋白激酶样结构域（MLKL）通路启动坏死性凋亡。随着应激时间延长，细胞死亡模式发生显著转变——当坏死性凋亡途径受阻时，ZBP1通过caspase-8介导的级联反应转向凋亡和gasdermin E（GSDME）依赖的焦亡。

引人注目的是，与既往研究不同，本研究通过药理学抑制剂（环己酰亚胺、依米丁）和基因敲除（G3BP1/2双敲）实验证明，应激颗粒（SG）的形成并非砷或高渗应激诱导的ZBP1依赖性细胞死亡所必需。全基因组CRISPR/Cas9筛选进一步确认，KEAP1-NRF2抗氧化通路和活性氧（ROS）在砷应激诱导的细胞死亡中发挥关键作用，而高渗应激则部分依赖于SLC9A1的调控。

在动物模型层面，研究团队通过给野生型和ZBP1基因敲除小鼠长期饮用含砷水，发现ZBP1缺失可显著缓解砷诱导的脾肿大、肺组织损伤和氧化应激水平升高。组织学分析显示，ZBP1缺陷小鼠的脾脏和肺部中cleaved caspase-3（CC3）和磷酸化MLKL（p-MLKL）阳性信号显著减少，证实了ZBP1在环境毒素致组织损伤中的核心地位。

主要技术方法包括：利用CRISPR/Cas9技术构建ZBP1、RIPK3、MLKL、KEAP1等基因敲除细胞系；通过中性红染色法检测细胞活力；蛋白质免疫印迹分析信号通路激活；免疫共沉淀验证蛋白相互作用；全基因组CRISPR筛选鉴定关键调控因子；建立砷中毒小鼠模型进行体内验证；组织化学染色和免疫荧光分析病理变化。

砷和高渗应激诱导ZBP1依赖性细胞死亡

研究人员发现，在IFNγ预处理的L929细胞中，砷和高渗应激显著诱导细胞死亡，而这种效应在ZBP1敲除细胞中明显减弱。RIPK3或MLKL缺失同样保护细胞免受应激诱导的死亡，表明ZBP1-RIPK3-MLKL信号轴在环境应激响应中起核心作用。

RIPK3对SA和NaCl诱导的早期坏死性凋亡至关重要

免疫印迹分析显示，IFNγ诱导ZBP1蛋白表达，SA或NaCl处理引起MLKL磷酸化。在ZBP1缺陷细胞中，IFNγ增强的MLKL磷酸化显著减弱，证实ZBP1在调控坏死性凋亡中的重要性。

ZBP1介导砷或高渗应激下细胞死亡途径的时间性转换

时间进程实验揭示，在应激早期（6小时），MLKL缺失与RIPK3缺失同样有效保护细胞；而在后期（12小时），MLKL缺陷细胞死亡反而增加，伴随caspase-3、8、9和GSDME的显著激活。Caspase抑制剂zVAD处理可逆转这种死亡，表明后期死亡模式转为caspase依赖性。

RIPK1和RIPK3在无坏死性凋亡情况下促进ZBP1介导的凋亡和焦亡

MLKL/ZBP1、MLKL/RIPK3和MLKL/RIPK1双敲细胞实验表明，缺失RIPK1或RIPK3可减弱MLKL缺陷细胞中caspase和GSDME的激活，说明这些激酶在调控细胞死亡模式转换中的关键作用。

应激颗粒形成对砷和高渗应激诱导的细胞死亡是非必需的

尽管ZBP1与应激颗粒标志物G3BP1共定位，但抑制SG形成并不阻止细胞死亡。G3BP1/2双敲细胞虽无法形成砷诱导的SG，但仍发生正常水平的细胞死亡，挑战了SG在环境应激诱导死亡中的必要性观点。

KEAP1-NRF2轴独立于应激颗粒形成保护细胞免受砷诱导的死亡

CRISPR筛选发现KEAP1是砷应激敏感性的关键调控因子。KEAP1缺失通过激活NRF2抗氧化通路降低ROS水平，从而保护细胞免受砷毒性，而高渗应激死亡不受KEAP1状态影响。

SLC9A1参与高渗应激诱导的细胞死亡

SLC9A1抑制剂EIPA可部分减轻高渗应激诱导的死亡，表明离子转运在高渗应激响应中的特定作用，这与砷应激机制形成鲜明对比。

ZBP1驱动砷诱导的组织损伤

动物实验证实，ZBP1缺失小鼠对砷诱导的脾肿大、肺组织损伤和氧化应激具有显著抵抗力，组织学分析显示凋亡和坏死性凋亡标志物减少，确立了ZBP1在环境毒素致病理损伤中的核心地位。

这项研究系统阐明了ZBP1在环境应激条件下调控细胞死亡模式动态转换的分子机制。不仅揭示了ZBP1-RIPK3-MLKL轴在应激响应中的核心地位，还发现了当坏死性凋亡受阻时，细胞通过caspase-8介导的途径转向凋亡和焦亡的适应性机制。更重要的是，研究挑战了应激颗粒在环境应激诱导死亡中的传统观点，确立了KEAP1-NRF2-ROS轴在砷毒性中的关键作用。这些发现拓展了对ZBP1生物学功能的理解，为环境应激相关疾病防治提供了新靶点，对解析环境污染因子致组织损伤机制具有重要理论价值和临床意义。