科研進展
Science?Signaling_王曉東實驗室揭示高滲應激誘導程序性細胞壞死的分子機制
水是生命之源，組成生物體的細胞都生活在液態水環境中。細胞內部由疏水的細胞膜和外界隔開。細胞內外離子和其他如葡萄糖等小分子對細胞內外的水分子保持著等同的滲透壓，從而使水分子不會單項流動造成細胞損傷。細胞內和血漿中滲透壓于0.9%的氯化鈉相當，故被稱為生理鹽水。當細胞外液滲透壓過高（高滲應激）或過低（低滲應激）時，細胞會失水或漲水，都會對細胞造成損害。在正常情況下，除少數專門處理水鹽平衡的細胞外（腎髓質），人體內細胞生長所處液態環境的滲透壓被嚴格限定在285-300 mOsm/kg之間(1)；在疾病或應激狀態下，可能會出現因水電解質紊亂而導致的滲透壓變化，如果糾正不及時則會引起嚴重后果。之前的研究表明，在高滲應激下，即細胞內液滲透壓低于細胞外液滲透壓，會導致細胞內水分流失，細胞骨架改變以及細胞皺縮，細胞內離子和生物大分子因濃度升高而積聚，DNA發生斷裂，細胞正常的信號轉導受到影響。于此同時，處于高滲環境的細胞也會啟動包括激活離子轉運蛋白在內的一系列適應性反應，可是一旦高滲應激超過細胞適應閾值，細胞將會不可避免的走向死亡(2-3)。盡管人們早就觀察到這一現象，但其中的分子機制尚不清楚。
長期以來，王曉東實驗室深耕于包括程序性細胞凋亡（apoptosis）和程序性細胞壞死（necroptosis）在內的程序性細胞死亡信號通路的研究，先后發現了細胞壞死的關鍵調控蛋白RIPK3（4）和MLKL（5）。2022年5月17日，王曉東實驗室在Science Signaling雜志上發表了題為“Osmotic stress activates RIPK3/MLKL-mediated necroptosis by increasing cytosolic pH through a plasma membrane Na+/H+ exchanger”的研究成果，揭示了高滲應激誘導細胞死亡的分子機制—高滲應激通過誘發RIPK3介導的程序性細胞壞死導致細胞死亡。
在這項研究中，研究人員發現當細胞處于高濃度的NaCl或Sucrose制造的高滲應激環境中時，除觀察到細胞死亡之外還可以檢測到RIPK3以及RIPK3依賴的MLKL的磷酸化信號，而敲除RIPK3或MLKL基因均可以阻斷上述生化反應和細胞死亡，這表明高滲應激會誘導RIPK3介導的程序性細胞壞死的發生。出乎意料的是，RIPK3的激活并不依賴于其已知的上游蛋白RIPK1、DAI或TRIF，此外，針對RIPK3結構功能實驗也證明了高滲應激誘導的RIPK3激活僅需要其激酶結構域而并不依賴RHIM(RIP homotypic interaction motif)結構域，這表明高滲應激誘導的RIPK3激活與所有已知的程序性細胞壞死信號通路均不相同，并不需要通過RHIM結構域與上游蛋白直接發生相互作用。為了進一步找到高滲應激誘導RIPK3激活的上游關鍵分子，研究人員采用CRISPR/Cas9全基因組篩選的方法，發現并證明了Na+/H+轉運體SLC9A1參與了高滲應激誘導的細胞壞死信號通路。進一步的細胞和生化實驗證明了高滲應激通過激活SLC9A1導致細胞內pH升高，而細胞內環境的堿化可以直接激活RIPK3進而誘導細胞壞死的發生（下圖）?？偟膩碚f，該研究揭示了高滲應激誘導的細胞壞死分子機制，發現了細胞壞死關鍵蛋白RIPK3新的激活機制，拓寬了對細胞壞死信號通路的認識。
本文的第一作者是王曉東實驗室的博士研究生張文彬，其他作者包括王曉東實驗室樊煒亮博士和郭佳博士。王曉東博士為本文的通訊作者。該課題的研究經費來自中國科技部、國家自然科學基金和北京市科學技術委員會。
參考文獻：
1. Noda, M. & Sakuta, H. Central regulation of body-fluid homeostasis. Trends in Neurosciences 36, 661–673 (2013).
2. Burg, M. B., Ferraris, J. D. & Dmitrieva, N. I. Cellular response to hyperosmotic stresses. Physiological reviews 87, 1441–1474 (2007).
3. St?hr, D. & Rehm, M. Linking hyperosmotic stress and apoptotic sensitivity. The FEBS journal 288, 1800–1803 (2021).
4. He, S. et al. Receptor interacting protein kinase-3 determines cellular necrotic response to TNF-alpha. Cell 137, 1100–1111 (2009).
5. Sun, L. et al. Mixed lineage kinase domain-like protein mediates necrosis signaling downstream of RIP3 kinase. Cell 148, 213–227 (2012).
