上海有機(jī)所交叉中心揭示壞死細(xì)胞終末階段的蛋白切割機(jī)制和生理意義
2026年4月7日，中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心主任袁鈞瑛院士團(tuán)隊在Vita期刊在線發(fā)表了題為Distinct necrotic protein cleavages define terminal events in necrosis?的研究論文。該研究在單細(xì)胞水平對細(xì)胞死亡機(jī)制進(jìn)行了研究，意外發(fā)現(xiàn)即使在相同的促細(xì)胞死亡條件下，細(xì)胞仍可能選擇進(jìn)入凋亡或壞死兩種不同的死亡路徑，從而將細(xì)胞死亡調(diào)控的認(rèn)識提升至單細(xì)胞水平。該工作進(jìn)一步系統(tǒng)探討了細(xì)胞壞死的執(zhí)行機(jī)制，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)認(rèn)知中的細(xì)胞壞死執(zhí)行機(jī)制并不足以完成細(xì)胞死亡，而壞死的終末階段依賴胞外蛋白酶的介入，這些蛋白酶介導(dǎo)的大規(guī)模且具有特異性的蛋白水解，使壞死細(xì)胞中出現(xiàn)類似于凋亡過程中由caspase介導(dǎo)的蛋白切割事件，并在促進(jìn)壞死細(xì)胞清除及抑制自身免疫反應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊進(jìn)一步開發(fā)了可特異性識別壞死相關(guān)蛋白切割產(chǎn)物的單克隆抗體，為在病理樣本中精準(zhǔn)識別和研究壞死細(xì)胞提供了全新的分子工具。
壞死細(xì)胞膜破裂觸發(fā)胞外蛋白酶介導(dǎo)的特異性蛋白切割
過去對壞死性細(xì)胞死亡的研究，主要聚焦于膜破裂后釋放出的損傷相關(guān)分子模式（DAMPs）、炎癥因子和趨化因子對組織微環(huán)境及免疫系統(tǒng)的影響，而較少關(guān)注膜破裂之后，組織液或血液中的物質(zhì)是否會反向進(jìn)入死亡細(xì)胞，并繼續(xù)參與調(diào)控其終末命運。
針對這一問題，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，在多種壞死性細(xì)胞死亡（包括程序性壞死，鐵死亡和細(xì)胞焦亡）中普遍存在一個共同現(xiàn)象：細(xì)胞膜破裂后，原本存在于組織液、血液或細(xì)胞外環(huán)境中的蛋白酶可進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，進(jìn)而誘導(dǎo)一系列壞死特異性的蛋白切割事件。通過新生N端標(biāo)記蛋白質(zhì)質(zhì)譜（neo-N-terminomic）分析，研究人員系統(tǒng)繪制了壞死細(xì)胞的切割位點圖譜。結(jié)果顯示，這些切割主要發(fā)生在精氨酸（Arg）和賴氨酸（Lys）殘基的碳端，呈現(xiàn)出明顯不同于凋亡中caspase切割的位點偏好。
這些切割事件廣泛分布于多個細(xì)胞區(qū)室，包括細(xì)胞核、細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、高爾基體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等。盡管不同細(xì)胞系、不同壞死方式以及不同組織樣本間存在一定的異質(zhì)性，但該研究仍鑒定到一系列在多種條件下保守存在的底物及切割位點。這表明，壞死性蛋白切割并非膜破裂后的隨機(jī)性降解，而是具有底物偏好和位點選擇性的分子事件，提示其可能承擔(dān)特定的生理功能。
圖1. 胞外蛋白酶主要識別并切割精氨酸（Arg）和賴氨酸（Lys）殘基
壞死性蛋白切割調(diào)控壞死細(xì)胞清除與免疫原性
細(xì)胞凋亡的發(fā)生由caspase家族主導(dǎo)，其特點是細(xì)胞膜保持完整，內(nèi)容物不泄露。凋亡細(xì)胞中caspase的激活不僅執(zhí)行了細(xì)胞死亡，同時通過調(diào)節(jié)磷脂酰絲氨酸（PS）外翻、膜出泡和凋亡小體形成、基因組DNA降解等過程，保證了凋亡細(xì)胞的清除與降解。而壞死則以細(xì)胞膜完整性喪失為特征，但目前我們?nèi)圆磺宄乃兰?xì)胞具體是如何實現(xiàn)細(xì)胞清除的。
該研究發(fā)現(xiàn)，使用亮肽素抑制壞死蛋白切割可顯著抑制程序性壞死、鐵死亡和細(xì)胞焦亡過程中細(xì)胞基因組DNA的降解。進(jìn)一步的體外吞噬實驗和體內(nèi)腹腔注射實驗表明，當(dāng)壞死性蛋白切割被抑制后，吞噬細(xì)胞對壞死細(xì)胞，尤其是對核碎片的清除效率明顯下降。更重要的是，這種清除障礙并非單純影響殘骸處理，而會進(jìn)一步誘發(fā)病理后果，使受試小鼠出現(xiàn)針對自身蛋白的抗體升高以及脾腫大等自身免疫相關(guān)表型。
這些結(jié)果表明，膜破裂后由胞外蛋白酶介導(dǎo)的壞死性切割，并不是壞死后的伴隨現(xiàn)象，而是機(jī)體高效、安全清除壞死細(xì)胞殘骸的重要機(jī)制。該研究因此將壞死終末階段從傳統(tǒng)意義上的“被動瓦解”，推進(jìn)為一個具有明確功能意義的主動清理過程。
圖2. 胞外蛋白酶進(jìn)入壞死細(xì)胞后促進(jìn)DNA降解與清除，并避免自身免疫反應(yīng)
單細(xì)胞視角揭示細(xì)胞死亡方式的異質(zhì)性與研究新范式
傳統(tǒng)細(xì)胞死亡研究多基于群體水平分析，即通過整體樣本的分子變化來定義某一刺激誘導(dǎo)的死亡方式。然而，這種策略容易掩蓋單細(xì)胞層面的命運異質(zhì)性。
該研究團(tuán)隊利用改進(jìn)的超高分辨率三維光學(xué)衍射斷層掃描（super resolution optical diffraction tomography, ODT）技術(shù)，在單細(xì)胞尺度上動態(tài)觀察細(xì)胞死亡進(jìn)程。研究人員在細(xì)胞焦亡模型中發(fā)現(xiàn)，即便是在同一刺激條件下，細(xì)胞群體內(nèi)部也并非沿單一路徑死亡：一部分細(xì)胞表現(xiàn)出經(jīng)典凋亡樣形態(tài)，另一部分則表現(xiàn)出GSDMD介導(dǎo)的膜破裂壞死樣死亡。與之對應(yīng)，在分子層面，研究團(tuán)隊同時檢測到caspase介導(dǎo)的凋亡性蛋白切割和胞外蛋白酶介導(dǎo)的壞死性蛋白切割。所以，細(xì)胞焦亡是由細(xì)胞凋亡和細(xì)胞壞死來共同執(zhí)行的死亡形式。
進(jìn)一步利用識別壞死切割新生末端的抗體ABHD16A-C進(jìn)行分析，研究人員在LPS/Nigericin誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡中觀察到至少三類細(xì)胞：一類為caspase-3不激活但ABHD16A-C陽性的細(xì)胞，代表GSDMD介導(dǎo)的壞死樣細(xì)胞；一類為caspase-3激活但ABHD16A-C陰性的細(xì)胞，代表凋亡細(xì)胞；還有一類同時具有兩類標(biāo)志，代表凋亡后的繼發(fā)性壞死細(xì)胞。該結(jié)果說明，即使在單一刺激下，不同細(xì)胞也可能進(jìn)入不同死亡軌道，而群體平均信號往往會將這些本質(zhì)不同的過程混合在一起。
這一發(fā)現(xiàn)提示，在研究復(fù)雜生理和病理條件下的細(xì)胞死亡時，不能僅憑群體水平的總體效應(yīng)簡單定義死亡類型，而需要結(jié)合單細(xì)胞動態(tài)觀察和終末標(biāo)志物識別，重新理解細(xì)胞死亡的異質(zhì)性與層級性。因此，該研究不僅揭示了壞死終末階段的新機(jī)制，也為細(xì)胞死亡研究提供了從“群體分類”走向“單細(xì)胞命運解析”的新范式。
圖3. LPS/Nigericin誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡中，單細(xì)胞層面呈現(xiàn)凋亡與壞死兩種死亡方式
論文的通訊作者是中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心主任袁鈞瑛院士和單冰副研究員。第一作者是中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心李甘泉博士。中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心張耀陽研究員給N端標(biāo)記蛋白質(zhì)譜分析提供了寶貴建議，北京大學(xué)施可彬團(tuán)隊對超分辨率ODT顯微成像技術(shù)的使用和數(shù)據(jù)分析提供了寶貴幫助，北京大學(xué)陳良怡研究員對超分辨率SIM顯微成像技術(shù)的使用提供了寶貴幫助，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院李佩盈研究員提供了寶貴的病人樣本。該工作受到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項和上海市科委的大力資助。
原文鏈接：https://www.vita-journal.com/vita/EN/10.15302/vita.2026.04.0023
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