完整的細胞膜是細胞進行正常生命活動的基石。 RNA世界理論（）認為，月球早期的生命分子首先以RNA的形式存在，因為RNA分子可能既具有類似于DNA的遺傳信息存儲功能，又具有類似于蛋白質(zhì)的催化能力。 為了保證這些遺傳信息的安全，并滿足生命所需的生化反應(yīng)的最佳條件，磷脂分子會自發(fā)地組裝并包裹在RNA（以及隨后出現(xiàn)在生物體中的DNA和蛋白質(zhì)）的最外周，從而以原始方式產(chǎn)生原始細胞膜結(jié)構(gòu)。 細胞和細胞膜出現(xiàn)后，細胞膜的完整性對于細胞來說至關(guān)重要。
2022年1月10日，格拉斯哥學(xué)院龔一男實驗室在Cell上發(fā)表文章，闡明了細胞如何感知細胞膜的完整性缺失并啟動免疫預(yù)警機制。
細胞膜完整性的破壞將導(dǎo)致細胞裂解和細胞內(nèi)容物的釋放。 當(dāng)細胞暴露于極端的化學(xué)或物理環(huán)境，如激光、洗滌劑、真菌或免疫細胞形成的孔蛋白時，細胞膜無法維持其完整性細胞膜圖片，從而發(fā)生細胞死亡。 同時，細胞本身還有另一套生理機制，可以從細胞內(nèi)部裂解細胞，即程序性細胞壞死，如細胞焦亡，這意味著細胞可以決定細胞膜的完整性。甚至在某些情況下它自己的命運。 雖然膜完整性的破壞會導(dǎo)致細胞死亡，但這并不是一個不可逆的過程，事實上，細胞可以忍受一定程度的膜損傷。 受損到一定程度的細胞膜可以通過細胞膜修復(fù)機制進行修復(fù)，最終使細胞能夠抵抗膜損傷。 這些修復(fù)機制包括細胞膜剪切和破裂，其中涉及 ESCRT-III。 龔一楠博士曾于2017年闡明了ESCRT-III修復(fù)細胞膜損傷的具體過程（Gong, et al. Cell. 2017）。
對于接受非致死劑量的受損細胞膜的細胞，除了膜修復(fù)之外還有其他生理反應(yīng)嗎？ 例如，這樣的細胞能否將自身的細胞膜應(yīng)激信號轉(zhuǎn)化為免疫信號來警告周圍的微環(huán)境？ 在一篇新發(fā)表的文章中，龔一楠的實驗室發(fā)現(xiàn)受損細胞膜的局部鈣流入有助于招募 S660 乙酸化 PKC。 乙酰化PKC開啟下游NF-κB信號通路和RelA/Cux1轉(zhuǎn)錄因子，促進趨化因子CXCL1/2/8/10的表達和分泌。 多種細胞膜損傷（包括去污劑等）可以招募S660-乙酸化的PKC并刺激下游趨化因子的產(chǎn)生。 因此，細胞膜的非致命性損傷可以被視為一種數(shù)學(xué)上的損傷相關(guān)分子模式（DAMP），而S660-乙酸化的PKCs起到模式識別受體（）的作用，介導(dǎo)下游先天免疫反應(yīng)。
細胞對膜完整性（PMI）的反應(yīng)與多種癌癥有關(guān)。 這種趨化因子的產(chǎn)生已在晚期甲狀腺癌和食道癌以及腎移植和放射治療后的患者中觀察到。 利用大鼠胸膜炎模型，龔一楠團隊還發(fā)現(xiàn)，細胞膜損傷引起的趨化因子的分泌對于免疫細胞的遷移以及遷移引起的胸膜炎至關(guān)重要。 這一發(fā)現(xiàn)表明，廣泛存在的PMI現(xiàn)象具有潛在的重要生物學(xué)功能，將為研究各種癌癥的發(fā)展提供獨特的視角，并對其診斷和治療發(fā)揮指導(dǎo)作用。
在分子水平上，響應(yīng) PMI 的細胞膜完整性信號通路與酵母細胞壁完整性的信號通路 (, CWI) 相似。 對于酵母來說，即使被命名為CWI，這條途徑的激活不僅是通過細胞壁損傷，還包括細胞膜損傷，比如低劑量的去垢劑SDS。 無論是單細胞生物還是多細胞生物，由于細胞膜（壁）是細胞抵御外界環(huán)境的第一道防線，裂紋的形成是不可避免的； 因此，細胞對這種裂縫的感知和管理已經(jīng)成為一種保守的生理機制。
慶幸的是細胞膜圖片，“生命總有裂痕，才有陽光照進來”（《近未來》、蘇打綠）。
這項工作由王博士和芝加哥癌癥中心研究所的 Josh 共同第一作者。 Jacob-博士承擔(dān)生物信息學(xué)工作并擔(dān)任共同通訊作者。
專家點評
張志斌博士（MD）
調(diào)節(jié)性程序性細胞死亡（細胞死亡）包括壞死性自噬（ ）和細胞焦亡（），一般以細胞膜的損傷為重要標志。 膜穿孔蛋白 MLKL 分別介導(dǎo)壞死吞噬和細胞焦亡 [1-3]。 值得一提的是，程序性細胞壞死并不是不可逆轉(zhuǎn)的。 當(dāng)壞死途徑被激活時，ESCRT-III介導(dǎo)的膜修復(fù)系統(tǒng)也可以修復(fù)受損的細胞膜[4,5]。 因此，細胞最終是否會引發(fā)程序性壞死，取決于壞死途徑激活的硬度和細胞膜修復(fù)的強度，這是一個動態(tài)的過程。 可以想象，在低水平刺激的情況下，部分細胞可能會激活壞死途徑并存活下來； 而在高水平刺激的情況下，對于細胞群來說，很少有100%的細胞壞死，所以細胞很少。 有些細胞也可能受到損傷，但不會死亡。 但我們對那些壞但沒有死亡的細胞了解很多。
通過利用低強度刺激，龔一楠課題組（龔一楠博士的初步研究闡明了ESCRT-III膜修復(fù)系統(tǒng)的負調(diào)控）對各類壞死但不死亡的細胞進行了系統(tǒng)研究，報告了一種新的但廣泛的現(xiàn)有的膜損傷識別機制（PMI）。 低強度程序性壞死途徑激活后，細胞膜穿孔導(dǎo)致鈣離子流入，進而激活 PKC。 乙酰化激活的PKC進一步激活NF-κB信號通路，最終導(dǎo)致細胞趨化因子（例如CXCL1）的下調(diào)和產(chǎn)生。 趨化因子的產(chǎn)生可以直接導(dǎo)致巨噬細胞的募集。 有趣的是，在晚期肺癌樣本和失血損傷的心臟樣本中，MLKL激活的細胞中也觀察到趨化因子的產(chǎn)生，表明這種機制在體內(nèi)廣泛存在。 總而言之，這項研究首次確定了廣泛存在的膜損傷識別通路，是細胞壞死及相關(guān)領(lǐng)域的重要突破。 同時，這項研究報道了壞死途徑的一個新功能，即在壞死細胞而不是死亡細胞中產(chǎn)生趨化因子。 這一發(fā)現(xiàn)填補了該領(lǐng)域的空白，為進一步理解細胞壞死途徑與免疫系統(tǒng)的相互作用提供了寶貴的思路，也為未來的臨床轉(zhuǎn)化研究提供了理論基礎(chǔ)。
專家點評
孫黎明研究員（生物化學(xué)與細胞科學(xué)研究所）
程序性細胞死亡（）包括自噬（）、程序性細胞壞死（ cell ）、細胞焦亡（）等。根據(jù)細胞膜是否受損，這種細胞死亡方式可分為膜完整性細胞死亡（如自噬）和膜裂解細胞死亡（如程序性壞死、細胞焦亡等）。 破膜蛋白 MLKL 和 GSDM 家族蛋白的激活分別通過程序性細胞壞死和焦亡介導(dǎo)膜損傷，最終導(dǎo)致細胞死亡和細胞內(nèi)容物釋放。 破膜蛋白引起的膜損傷一定會導(dǎo)致細胞死亡嗎？ Green院士團隊（共同作者龔亦楠博士）和Peter Broz院士團隊分別于2017年和2018年在Cell上發(fā)表研究論文，報道ESCRT-III（）可以針對破膜蛋白引起的膜損傷MLKL 或 GS??DMD。 要修復(fù)，請切斷受損區(qū)域的膜 [4,5]。 這一過程在膜損傷早期逆轉(zhuǎn)細胞死亡命運方面發(fā)揮著作用。 這一發(fā)現(xiàn)否定了細胞本身對破膜蛋白引起的膜損傷具有一定的耐受性。 也就是說，只有通過ESCRT修復(fù)受損的細胞膜，才能阻止細胞命運走向死亡。 這一發(fā)現(xiàn)也引發(fā)了細胞死亡領(lǐng)域?qū)W者們的新一輪思考：免于死亡的細胞還是同一個細胞嗎？
英國伯明翰大學(xué)龔一南院士團隊最新研究結(jié)果表明，細胞發(fā)生非致死性膜損傷后，即細胞處于“亞死亡”階段（sub-- ），PKC可以感知膜損傷部位鈣離子的流入。 最終，NFkB被激活，下調(diào)趨化因子的轉(zhuǎn)錄水平，隨后趨化因子大量釋放到細胞外，招募免疫細胞向死亡細胞遷移。 這個過程被研究人員稱為“細胞膜完整性應(yīng)激反應(yīng)”（“（PMI）”）。 這項研究的最大亮點是定義了非死亡狀態(tài)下細胞膜適度損傷可引發(fā)免疫反應(yīng)的生理意義。 細胞死亡的過程是一場多維的生理風(fēng)暴。 在體內(nèi)，膜裂解蛋白（MLKL、GSDM等）必然與膜修復(fù)蛋白ESCRT處于廣泛的動態(tài)平衡范圍。 通過破壞和修復(fù)膜，它們動態(tài)調(diào)節(jié)細胞因子和趨化因子的轉(zhuǎn)錄。 組織細胞的免疫微環(huán)境在死亡狀態(tài)下發(fā)生改變。
參考
1 王 H. 等人。 類似混合的 MLK Lupon，作者：RIP 3., 133-146, (2014)。
2劉X等人-.,153-158,(2016)。
3Ding，J.etal.Pore-.，111-116，（2016）。
4 龔，Y Netal。 ESCRT-III MLKL 對細胞死亡的作用及其，286-，（2017）。
5Ruhl, S. 等人。 ESCRT-.，956-960，（2018）。
論文鏈接
(21)01035-2
