摘要：新的研究揭示了一種以保護(hù)細(xì)胞免受死亡而聞名的蛋白質(zhì)要發(fā)揮相反的作用需要什么。
從早期發(fā)育到老年，細(xì)胞死亡是生命的一部分。沒有足夠的細(xì)胞凋亡這種關(guān)鍵的細(xì)胞死亡類型，動(dòng)物最終會(huì)產(chǎn)生過多的細(xì)胞，這可能為癌癥或自身免疫性疾病奠定基礎(chǔ)。但謹(jǐn)慎的控制是必要的，因?yàn)楫?dāng)細(xì)胞凋亡消除錯(cuò)誤的細(xì)胞時(shí)，其影響可能同樣可怕，有助于引發(fā)多種神經(jīng)退行性疾病。
麻省理工學(xué)院麥戈文腦研究所的科學(xué)家們通過對(duì)秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）的研究，揭開了一個(gè)長(zhǎng)期存在的謎團(tuán)，即控制細(xì)胞凋亡的因素：一種能夠防止程序性細(xì)胞死亡的蛋白質(zhì)是如何促進(jìn)細(xì)胞程序性死亡的。上個(gè)月，秀麗隱桿線蟲第四次獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。他們的研究由麻省理工學(xué)院David H. Koch生物學(xué)教授Robert Horvitz領(lǐng)導(dǎo)，并于10月9日在《Science Advances》雜志上發(fā)表，揭示了健康和疾病中細(xì)胞死亡的過程。
圖1 秀麗隱桿線蟲BCL-2同源物CED-9的促凋亡功能需要與APAF-1同源物CED-CED-4相互作用Horvitz同時(shí)也是霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所和麥戈文研究所的研究員，他說(shuō)：“這些發(fā)現(xiàn)是由研究生Nolan Tucker和前研究生，現(xiàn)在是麻省理工學(xué)院的教員同事Peter Reddien共同完成的，他們揭示了一種長(zhǎng)期被認(rèn)為可以阻止秀麗隱桿線蟲細(xì)胞凋亡的蛋白質(zhì)相互作用可能會(huì)產(chǎn)生相反的效果。”Horvitz因發(fā)現(xiàn)和描述秀麗隱桿線蟲控制細(xì)胞死亡的基因而獲得2002年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
細(xì)胞死亡機(jī)制
Horvitz、Tucker、Reddien及其同事利用秀麗隱桿線蟲分析了驅(qū)動(dòng)細(xì)胞凋亡的機(jī)制，以及細(xì)胞如何確保細(xì)胞凋亡在何時(shí)何地發(fā)生的機(jī)制，為細(xì)胞凋亡領(lǐng)域提供了基礎(chǔ)見解。人類和其他哺乳動(dòng)物需要幾十種蛋白質(zhì)來(lái)控制細(xì)胞凋亡，而這些蟲子只需要幾種。但當(dāng)事情出錯(cuò)時(shí)，蟲子很容易觀察：當(dāng)沒有足夠的細(xì)胞凋亡時(shí)，研究人員可以看到線蟲半透明的體內(nèi)有太多的細(xì)胞。當(dāng)水分過多時(shí)，線蟲會(huì)缺乏某些生物功能，或者在更極端的情況下，無(wú)法繁殖或在胚胎發(fā)育過程中死亡。
Horvitz實(shí)驗(yàn)室的工作確定了許多控制線蟲細(xì)胞凋亡的基因和蛋白質(zhì)的作用。事實(shí)證明，這些調(diào)節(jié)因子在人類細(xì)胞中也有對(duì)應(yīng)體，因此，對(duì)線蟲的研究有助于揭示人類細(xì)胞如何控制細(xì)胞死亡，并指出治療疾病的潛在目標(biāo)。
蛋白質(zhì)的雙重作用
秀麗隱桿線蟲的三種主要凋亡調(diào)節(jié)因子積極促進(jìn)細(xì)胞死亡，而只有一種，CED-9，控制促進(jìn)細(xì)胞凋亡的蛋白以保持細(xì)胞存活。然而，早在20世紀(jì)90年代，Horvitz和他的同事就認(rèn)識(shí)到，CED-9并不僅僅是細(xì)胞的保護(hù)者。他們的實(shí)驗(yàn)表明，保護(hù)蛋白也在促進(jìn)細(xì)胞死亡中起作用。但是，雖然研究人員認(rèn)為他們知道CED-9如何防止細(xì)胞凋亡，但其促細(xì)胞凋亡的作用更令人困惑。
CED-9的雙重作用意味著編碼它的基因突變可以通過多種方式影響細(xì)胞凋亡。大多數(shù)的CED-9突變會(huì)干擾這種蛋白質(zhì)抵抗細(xì)胞死亡的能力，導(dǎo)致細(xì)胞過度死亡。相反，異常激活CED-9的突變導(dǎo)致的細(xì)胞死亡太少，就像滅活三種殺手基因中的任何一種的突變一樣。
Reddien在Horvitz的實(shí)驗(yàn)室讀博士時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非典型的CED-9突變，暗示了CED-9如何促進(jìn)細(xì)胞死亡。這種突變改變了CED-9蛋白中與CED-4蛋白相互作用的部分，即促凋亡。由于該突變特異性地導(dǎo)致細(xì)胞凋亡減少，這表明CED-9可能需要與CED-4相互作用以促進(jìn)細(xì)胞死亡。
圖2 ced-9具有非正則促凋亡功能
這個(gè)想法特別有趣，因?yàn)檠芯咳藛T長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為CED-9與CED-4的相互作用具有完全相反的效果：在標(biāo)準(zhǔn)模型中，CED-9將CED-4錨定在細(xì)胞的線粒體上，隔離CED-4殺手蛋白，阻止其與另一個(gè)關(guān)鍵殺手蛋白CED-3蛋白結(jié)合并激活，從而防止細(xì)胞凋亡。
為了驗(yàn)證CED-9與殺手CED-4蛋白的相互作用會(huì)促進(jìn)細(xì)胞凋亡的假設(shè)，研究小組需要更多的證據(jù)。因此，研究生Nolan Tucker使用CRISPR基因編輯工具創(chuàng)造了更多在CED-9中發(fā)生突變的線蟲，每一種都針對(duì)CED-4結(jié)合區(qū)域的不同位點(diǎn)。然后他檢查了線蟲?！拔以谶@類特殊的突變中看到的是額外的細(xì)胞和生存能力，”他說(shuō)——這清楚地表明，改變后的CED-9仍能防止細(xì)胞死亡，但不能再促進(jìn)細(xì)胞死亡。
Tucker解釋說(shuō)：“這些觀察結(jié)果有力地支持了CED-9的促凋亡功能需要結(jié)合CED-4的能力這一假設(shè)?！彼麄兊挠^察結(jié)果還表明，與之前的想法相反，CED-9不需要與CED-4結(jié)合來(lái)防止細(xì)胞凋亡。
當(dāng)他觀察突變線蟲的細(xì)胞內(nèi)部時(shí)，塔克發(fā)現(xiàn)了額外的證據(jù)，表明這些突變阻止了CED-9與CED-4相互作用的能力。當(dāng)CED-9和CED-4都完好無(wú)損時(shí)，CED-4似乎與細(xì)胞的線粒體有關(guān)。但在這些突變的存在下，CED-4反而位于細(xì)胞核的邊緣。CED-9結(jié)合CED-4與線粒體的能力似乎是促進(jìn)細(xì)胞凋亡所必需的，而不是防止細(xì)胞凋亡。
展望未來(lái)
雖然研究小組的發(fā)現(xiàn)開始解釋了一個(gè)長(zhǎng)期未解決的關(guān)于細(xì)胞凋亡的主要調(diào)節(jié)因子之一的問題，但他們也提出了新的問題?！拔艺J(rèn)為，很多人已經(jīng)將細(xì)胞凋亡的主要途徑視為一門或多或少已經(jīng)確定的科學(xué)。我們的發(fā)現(xiàn)應(yīng)該會(huì)改變這種看法。”塔克說(shuō)。
研究人員發(fā)現(xiàn)，他們對(duì)線蟲的研究發(fā)現(xiàn)與對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞死亡途徑的了解之間存在重要的相似之處。哺乳動(dòng)物中與CED-9相對(duì)應(yīng)的是一種叫做BCL-2的蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)的突變會(huì)導(dǎo)致癌癥。與CED-9一樣，BCL-2也能促進(jìn)和保護(hù)細(xì)胞凋亡。與CED-9一樣，BCL-2的促凋亡功能一直是個(gè)謎。在哺乳動(dòng)物中，線粒體在激活細(xì)胞凋亡中也起著關(guān)鍵作用。Horvitz實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)為更好地理解細(xì)胞凋亡是如何在線蟲和人類中受到調(diào)節(jié)，以及細(xì)胞凋亡的失調(diào)是如何導(dǎo)致癌癥、自身免疫性疾病和神經(jīng)退行性變等疾病提供了機(jī)會(huì)。
參考資料
[1] The pro-apoptotic function of the C. elegans BCL-2 homolog CED-9 requires interaction with the APAF-1 homolog CED-4
摘要：新的研究揭示了一種以保護(hù)細(xì)胞免受死亡而聞名的蛋白質(zhì)要發(fā)揮相反的作用需要什么。
從早期發(fā)育到老年，細(xì)胞死亡是生命的一部分。沒有足夠的細(xì)胞凋亡這種關(guān)鍵的細(xì)胞死亡類型，動(dòng)物最終會(huì)產(chǎn)生過多的細(xì)胞，這可能為癌癥或自身免疫性疾病奠定基礎(chǔ)。但謹(jǐn)慎的控制是必要的，因?yàn)楫?dāng)細(xì)胞凋亡消除錯(cuò)誤的細(xì)胞時(shí)，其影響可能同樣可怕，有助于引發(fā)多種神經(jīng)退行性疾病。
麻省理工學(xué)院麥戈文腦研究所的科學(xué)家們通過對(duì)秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）的研究，揭開了一個(gè)長(zhǎng)期存在的謎團(tuán)，即控制細(xì)胞凋亡的因素：一種能夠防止程序性細(xì)胞死亡的蛋白質(zhì)是如何促進(jìn)細(xì)胞程序性死亡的。上個(gè)月，秀麗隱桿線蟲第四次獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。他們的研究由麻省理工學(xué)院David H. Koch生物學(xué)教授Robert Horvitz領(lǐng)導(dǎo)，并于10月9日在《Science Advances》雜志上發(fā)表，揭示了健康和疾病中細(xì)胞死亡的過程。
圖1 秀麗隱桿線蟲BCL-2同源物CED-9的促凋亡功能需要與APAF-1同源物CED-CED-4相互作用Horvitz同時(shí)也是霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所和麥戈文研究所的研究員，他說(shuō)：“這些發(fā)現(xiàn)是由研究生Nolan Tucker和前研究生，現(xiàn)在是麻省理工學(xué)院的教員同事Peter Reddien共同完成的，他們揭示了一種長(zhǎng)期被認(rèn)為可以阻止秀麗隱桿線蟲細(xì)胞凋亡的蛋白質(zhì)相互作用可能會(huì)產(chǎn)生相反的效果?！盚orvitz因發(fā)現(xiàn)和描述秀麗隱桿線蟲控制細(xì)胞死亡的基因而獲得2002年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
細(xì)胞死亡機(jī)制
Horvitz、Tucker、Reddien及其同事利用秀麗隱桿線蟲分析了驅(qū)動(dòng)細(xì)胞凋亡的機(jī)制，以及細(xì)胞如何確保細(xì)胞凋亡在何時(shí)何地發(fā)生的機(jī)制，為細(xì)胞凋亡領(lǐng)域提供了基礎(chǔ)見解。人類和其他哺乳動(dòng)物需要幾十種蛋白質(zhì)來(lái)控制細(xì)胞凋亡，而這些蟲子只需要幾種。但當(dāng)事情出錯(cuò)時(shí)，蟲子很容易觀察：當(dāng)沒有足夠的細(xì)胞凋亡時(shí)，研究人員可以看到線蟲半透明的體內(nèi)有太多的細(xì)胞。當(dāng)水分過多時(shí)，線蟲會(huì)缺乏某些生物功能，或者在更極端的情況下，無(wú)法繁殖或在胚胎發(fā)育過程中死亡。
Horvitz實(shí)驗(yàn)室的工作確定了許多控制線蟲細(xì)胞凋亡的基因和蛋白質(zhì)的作用。事實(shí)證明，這些調(diào)節(jié)因子在人類細(xì)胞中也有對(duì)應(yīng)體，因此，對(duì)線蟲的研究有助于揭示人類細(xì)胞如何控制細(xì)胞死亡，并指出治療疾病的潛在目標(biāo)。
蛋白質(zhì)的雙重作用
秀麗隱桿線蟲的三種主要凋亡調(diào)節(jié)因子積極促進(jìn)細(xì)胞死亡，而只有一種，CED-9，控制促進(jìn)細(xì)胞凋亡的蛋白以保持細(xì)胞存活。然而，早在20世紀(jì)90年代，Horvitz和他的同事就認(rèn)識(shí)到，CED-9并不僅僅是細(xì)胞的保護(hù)者。他們的實(shí)驗(yàn)表明，保護(hù)蛋白也在促進(jìn)細(xì)胞死亡中起作用。但是，雖然研究人員認(rèn)為他們知道CED-9如何防止細(xì)胞凋亡，但其促細(xì)胞凋亡的作用更令人困惑。
CED-9的雙重作用意味著編碼它的基因突變可以通過多種方式影響細(xì)胞凋亡。大多數(shù)的CED-9突變會(huì)干擾這種蛋白質(zhì)抵抗細(xì)胞死亡的能力，導(dǎo)致細(xì)胞過度死亡。相反，異常激活CED-9的突變導(dǎo)致的細(xì)胞死亡太少，就像滅活三種殺手基因中的任何一種的突變一樣。
Reddien在Horvitz的實(shí)驗(yàn)室讀博士時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非典型的CED-9突變，暗示了CED-9如何促進(jìn)細(xì)胞死亡。這種突變改變了CED-9蛋白中與CED-4蛋白相互作用的部分，即促凋亡。由于該突變特異性地導(dǎo)致細(xì)胞凋亡減少，這表明CED-9可能需要與CED-4相互作用以促進(jìn)細(xì)胞死亡。
圖2 ced-9具有非正則促凋亡功能
這個(gè)想法特別有趣，因?yàn)檠芯咳藛T長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為CED-9與CED-4的相互作用具有完全相反的效果：在標(biāo)準(zhǔn)模型中，CED-9將CED-4錨定在細(xì)胞的線粒體上，隔離CED-4殺手蛋白，阻止其與另一個(gè)關(guān)鍵殺手蛋白CED-3蛋白結(jié)合并激活，從而防止細(xì)胞凋亡。
為了驗(yàn)證CED-9與殺手CED-4蛋白的相互作用會(huì)促進(jìn)細(xì)胞凋亡的假設(shè)，研究小組需要更多的證據(jù)。因此，研究生Nolan Tucker使用CRISPR基因編輯工具創(chuàng)造了更多在CED-9中發(fā)生突變的線蟲，每一種都針對(duì)CED-4結(jié)合區(qū)域的不同位點(diǎn)。然后他檢查了線蟲?！拔以谶@類特殊的突變中看到的是額外的細(xì)胞和生存能力，”他說(shuō)——這清楚地表明，改變后的CED-9仍能防止細(xì)胞死亡，但不能再促進(jìn)細(xì)胞死亡。
Tucker解釋說(shuō)：“這些觀察結(jié)果有力地支持了CED-9的促凋亡功能需要結(jié)合CED-4的能力這一假設(shè)?！彼麄兊挠^察結(jié)果還表明，與之前的想法相反，CED-9不需要與CED-4結(jié)合來(lái)防止細(xì)胞凋亡。
當(dāng)他觀察突變線蟲的細(xì)胞內(nèi)部時(shí)，塔克發(fā)現(xiàn)了額外的證據(jù)，表明這些突變阻止了CED-9與CED-4相互作用的能力。當(dāng)CED-9和CED-4都完好無(wú)損時(shí)，CED-4似乎與細(xì)胞的線粒體有關(guān)。但在這些突變的存在下，CED-4反而位于細(xì)胞核的邊緣。CED-9結(jié)合CED-4與線粒體的能力似乎是促進(jìn)細(xì)胞凋亡所必需的，而不是防止細(xì)胞凋亡。
展望未來(lái)
雖然研究小組的發(fā)現(xiàn)開始解釋了一個(gè)長(zhǎng)期未解決的關(guān)于細(xì)胞凋亡的主要調(diào)節(jié)因子之一的問題，但他們也提出了新的問題?！拔艺J(rèn)為，很多人已經(jīng)將細(xì)胞凋亡的主要途徑視為一門或多或少已經(jīng)確定的科學(xué)。我們的發(fā)現(xiàn)應(yīng)該會(huì)改變這種看法?！彼苏f(shuō)。
研究人員發(fā)現(xiàn)，他們對(duì)線蟲的研究發(fā)現(xiàn)與對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞死亡途徑的了解之間存在重要的相似之處。哺乳動(dòng)物中與CED-9相對(duì)應(yīng)的是一種叫做BCL-2的蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)的突變會(huì)導(dǎo)致癌癥。與CED-9一樣，BCL-2也能促進(jìn)和保護(hù)細(xì)胞凋亡。與CED-9一樣，BCL-2的促凋亡功能一直是個(gè)謎。在哺乳動(dòng)物中，線粒體在激活細(xì)胞凋亡中也起著關(guān)鍵作用。Horvitz實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)為更好地理解細(xì)胞凋亡是如何在線蟲和人類中受到調(diào)節(jié)，以及細(xì)胞凋亡的失調(diào)是如何導(dǎo)致癌癥、自身免疫性疾病和神經(jīng)退行性變等疾病提供了機(jī)會(huì)。
參考資料
[1] The pro-apoptotic function of the C. elegans BCL-2 homolog CED-9 requires interaction with the APAF-1 homolog CED-4
