非凋亡性caspase-8驱动重症SARS-CoV-2感染过度炎症的关键作用及机制研究

《Nature Communications》：Non-apoptotic caspase-8 is critical for orchestrating exaggerated inflammation during severe SARS-CoV-2 infection

本研究针对重症COVID-19中过度炎症反应的分子机制不明问题，通过基因靶向小鼠模型发现caspase-8通过非凋亡功能调控细胞因子释放和炎症反应。研究表明caspase-8缺失可降低疾病严重度和病毒载量，这一保护作用与IL-1β水平下降相关，且不依赖于细胞死亡途径。空间转录组和蛋白质组分析证实caspase-8通过切割N4BP1激活NF-κB信号通路驱动病理炎症，为治疗重症COVID-19提供了新靶点。

　　

在COVID-19大流行的阴影下，科学家们一直在努力破解一个关键谜题：为什么有些感染者仅出现轻微症状，而另一些人却会发展成危及生命的重症？越来越多的证据表明，过度活跃的免疫反应——即所谓的"细胞因子风暴"——是推动疾病恶化的核心驱动力。然而，引发这种失控炎症的具体分子开关至今尚未完全阐明。

以往的研究主要集中在细胞死亡通路上，特别是细胞焦亡(pyroptosis)和坏死性凋亡(necroptosis)，认为它们可能是炎症因子释放的罪魁祸首。但令人困惑的是，当研究人员通过基因工程技术阻断这些细胞死亡途径时，并未能完全遏制重症COVID-19的发展。这一矛盾提示我们，可能还存在其他未知的分子机制在幕后操纵着这场免疫风暴。

《Nature Communications》最新发表的研究将目光投向了caspase-8——一个在细胞凋亡中扮演关键角色的蛋白酶。传统上，caspase-8被视为细胞凋亡的"启动者"，但当科学家们深入探究其在SARS-CoV-2感染中的作用时，却发现了令人惊讶的非传统功能。

为了揭开这一谜团，研究团队构建了经过21代小鼠体内传代适应的SARS-CoV-2毒株(P21)，该毒株能成功模拟人类重症COVID-的病理特征。通过一系列精巧设计的基因工程小鼠模型，研究人员发现caspase-8缺失的小鼠（同时缺失RIPK3以避免胚胎致死性）表现出显著改善的疾病结局：体重损失减少、病毒载量降低、生存率提高。尤为重要的是，这种保护作用并非通过调节细胞死亡实现，因为同时缺失焦亡和坏死性凋亡关键介质并未带来额外益处。

机制探究发现，caspase-8缺失导致IL-1β、TNF、IL-6等多种炎症因子水平显著下降。值得注意的是，IL-6缺失虽然不影响病毒复制，但确实减轻了疾病严重程度，说明caspase-8可能通过多重 cytokine 通路推动病理进程。

研究的关键突破在于发现caspase-8通过切割N4BP1（NF-κB信号负调控因子）来解除对NF-κB通路的抑制，从而驱动炎症反应。Western blot分析显示，SARS-CoV-2感染后肺组织中caspase-8表达增加，并出现p41/43切割产物（非凋亡性炎症信号的关键标志），而完全加工的p18凋亡形式仅占少量。

尤为引人注目的是，研究人员在感染SARS-CoV-2的人肺组织外植体中同样观察到了caspase-8的上调，且这一现象与广泛的细胞凋亡无关，进一步支持了caspase-8非凋亡功能在人类COVID-19中的相关性。

技术方法上，本研究主要运用了基因工程小鼠模型（包括C8/R3双敲除、C1/11/12/8/R3五重敲除等）、SARS-CoV-2 P21鼠适应株感染模型、蛋白质组学分析、空间转录组学（MERFISH技术）、Western blot、免疫组织化学、细胞因子检测以及人肺组织外植体感染实验等关键技术。

Caspase-8驱动SARS-CoV-2感染中的炎症反应

通过比较WT、C8/R3双敲除和R3单敲除小鼠，研究发现只有同时缺失caspase-8和RIPK3的小鼠表现出显著改善的疾病表型，而单独缺失RIPK3无此效果。这表明caspase-8的致病作用不依赖于RIPK3。 caspase-8抑制剂emricasan能降低肺中TNF、IL-6和IL-1β水平，进一步证实了caspase-8在炎症反应中的核心地位。

肺蛋白质组学揭示caspase-8通路组分上调

蛋白质组学分析发现，SARS-CoV-2感染后，WT小鼠肺组织中有805个蛋白质表达发生特异性改变，而C8/R3小鼠中这些变化大多消失。这些蛋白质主要涉及代谢、炎症和铁代谢过程。与感染WT小鼠相比，感染C8/R3小鼠显示急性期蛋白、炎症介质和铁代谢组分下调，而体液免疫反应和补体激活相关蛋白上调。

空间转录组学分析炎症信号的空间分布

MERFISH空间转录组学揭示了感染区域内细胞类型的空间分布变化。WT和R3小鼠感染区域周围有丰富的髓系细胞浸润，而C8/R3小鼠中此现象显著减弱。特别值得注意的是，C8/R3小鼠感染区域内Ptgs2+和Fosb+细胞增多，这两种细胞与组织修复相关，而Ptx3+细胞减少（该细胞类型与内皮激活和免疫血栓形成相关）。

Caspase-8驱动的严重疾病依赖TNF但不依赖IFN-γ

通过感染Tnf/lfn-γ双敲除和lfn-γ单敲除小鼠，研究发现IFN-γ缺失并不影响疾病严重程度，而TNF缺失则具有保护作用。这表明在SARS-CoV-2感染中，caspase-8的炎症驱动作用主要依赖于TNF信号，而非IFN-γ。

Caspase-8的非凋亡功能促进SARS-CoV-2诱导的疾病

组织学分析显示，SARS-CoV-2感染肺组织中凋亡并不显著。Western blot检测到caspase-7激活和PARP切割，但caspase-3仅部分激活。重要的是，C8/R3和Tnf小鼠中仍可检测到凋亡信号，说明caspase-8缺失带来的保护作用并非通过抑制凋亡实现。

炎症性caspase缺失不增强caspase-8缺失的保护作用

为了检验caspase-1、-11、-12是否与caspase-8协同作用，研究人员构建了五重敲除小鼠（C1/11/12/8/R3）。结果显示，这些小鼠的保护程度与C8/R3双敲除相似，未出现叠加效应，表明caspase-8在驱动炎症中起主导作用，而炎症性caspases贡献较小。

SARS-CoV-2感染导致肺基质和免疫细胞中未加工caspase-8增加

免疫组化显示，感染后肺支气管和肺泡上皮细胞及免疫细胞中caspase-8表达增加。 Western blot证实感染肺组织中全长caspase-8和p41/43切割产物增加，而完全加工的p18形式较少。同时，caspase-8调节因子cFLIP_L水平也升高。

Caspase-8在SARS-CoV-2感染期间驱动NF-κB信号

NF-κB信号通路关键组分p50缺失的小鼠感染后病毒载量和体重损失均减少，说明NF-κB激活在疾病发生中起重要作用。机制上，caspase-8通过切割N4BP1（NF-κB信号抑制因子）解除抑制，促进炎症反应。感染肺组织中N4BP1切割增加，且这一过程依赖于caspase-8和TNF。

本研究颠覆了传统上对caspase-8功能的认知，揭示了其在SARS-CoV-2感染中通过非凋亡功能驱动过度炎症的新机制。不同于典型的细胞死亡途径，caspase-8通过形成caspase-8/cFLIP_L异源二聚体，切割N4BP1从而激活NF-κB信号通路，导致IL-1β等炎症因子大量释放。

这一发现不仅解释了为什么针对细胞焦亡和坏死性凋亡的治疗策略在COVID-19中效果有限，更重要的是为开发新的治疗干预手段提供了精确靶点。特别值得注意的是，研究显示caspase-8的激活在病毒感染清除后仍持续存在，这为理解长新冠(long COVID)的发病机制提供了重要线索。

该研究的临床意义在于，针对caspase-8非凋亡功能的特异性抑制剂可能成为治疗重症COVID-19的新策略，同时避免干扰其正常的凋亡功能而带来副作用。此外，这一机制可能也适用于其他由病毒感染引起的过度炎症性疾病，为相关病理状况的治疗开辟了新途径。