细胞焦亡突击,未来抗癌战场的炸药包?-深度-知识分子

细胞焦亡突击,未来抗癌战场的炸药包?

2020/05/18
导读
激活细胞焦亡通路,何以清除肿瘤?

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撰文 | 黄宇翔

责编 | 黄俊如


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2020年1月27日和5月6日,生物科技创业公司 Quench Bio 和 Ventus Therapeutics 分别宣布完成了5000万美元和6000万美元的A轮融资,这些融资资金将用于开发靶向天然免疫通路的抗炎症药物与抗肿瘤药,而其中的一个热门靶点,是细胞焦亡通路中的 Gasdermin 家族蛋白。[1,2]

细胞焦亡除了会诱发多种炎症性疾病外,是否也介导了抗肿瘤免疫反应,激活细胞焦亡是否可以清除肿瘤?


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细胞焦亡在抗肿瘤免疫反应中发挥重要作用,是近五年来该领域的突破性进展。

细胞焦亡于上世纪80年代末在被病原菌侵染的细胞中观察到,但很长时间内,这种细胞死亡一直被误认为是一种特殊的细胞凋亡。直到本世纪初,少数研究者才开始意识到,细胞焦亡是一种裂解性细胞死亡,细胞膜发生通透直至完全破裂,最终导致细胞以一种极其壮烈的方式走向毁灭,同时释放出大量促炎性物质。但由于当时已知的参与焦亡的分子似乎和细胞凋亡有着更亲近的血缘关系,焦亡是裂解性细胞死亡的观点一直没有得到学界的广泛认可。

和细胞凋亡不同,细胞焦亡确实会导致炎症因子的释放,这是如何发生的?如果焦亡是裂解性细胞死亡的话,导致细胞膜破裂的机制又是什么?直到五年以前,这依然是困惑着研究者们的 “黑箱”。[3]

2015年,北京生命科学研究所的邵峰团队和基因泰克公司(Genentech)的 Vishva Dixit 团队分别发现 Gasdermin 家族蛋白成员gasdermin D(GSDMD)介导了细胞焦亡,为相关领域的研究者找到了打开这个黑箱的钥匙。

一系列的跟进实验表明,Gasdermin 家族蛋白就像是细胞中的 “工程兵”:在正常情况下,它们以一种 “被抑制” 的形态存在于细胞内,而一旦细胞作出了要通过细胞焦亡走向毁灭的 “决定”,Gasdermin 的抑制状态就会被解除,它们火速集结到细胞膜上 “打孔”,使得细胞破裂。[4-7]

随着 Gasdermin 机制逐渐明朗,研究者发现,一部分以前被认作是细胞凋亡的生物学过程实质上是细胞焦亡或者混杂着焦亡。其中最新的一个例子,就是毒性淋巴细胞,包括杀伤性T细胞与NK细胞,对靶细胞的清除。而杀伤性T细胞对肿瘤细胞的清除,正是机体抗肿瘤免疫的最为关键的一步,也是抗肿瘤免疫药物产生疗效的基础。

1986年,瑞士生化学家 Jürg Tschopp 将杀伤性T细胞分泌的一类诱导靶细胞死亡的蛋白酶命名为颗粒酶(granzyme),这些颗粒酶是机体执行细胞免疫反应的关键。1990年代的研究者在阐释其作用机制时,普遍认为颗粒酶诱发靶细胞的发生凋亡。[8-13]

2020年初,邵峰团队和哈佛医学院的 Judy Lieberman 团队分别报道,毒性淋巴细胞所分泌的颗粒酶可通过切割和激活 Gasdermin 家族蛋白GSDMB 或 GSDME 诱发癌细胞发生焦亡,介导了机体的抗肿瘤免疫反应。[14,15] 这些进展说明细胞焦亡也是获得性免疫系统执行细胞免疫的关键机制。


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那么,是否能开发出一种可以特异性激活焦亡通路的 “魔弹” 药物呢?
 
令人担忧的是,Gasdermin 家族蛋白在包括消化道、皮肤等组织的正常细胞中也表达——如果使用足以杀死大部分肿瘤细胞的剂量激活焦亡通路,一颗 “核弹头” 炸下,很可能会有无辜的组织细胞死于非命,造成较强的毒副作用。[7]

今年3月,转机隐现。邵峰团队与北京大学化学与分子工程学院刘志博团队合作的研究报道了一个有趣的现象:仅仅诱发10-20%的肿瘤细胞发生焦亡,就足以清除几乎全部的肿瘤细胞。[16] 该研究揭示焦亡可以正向放大机体的免疫反应,这也很好地解释了毒性淋巴细胞作为细胞免疫的核心机制为何通过焦亡杀死靶细胞,也解释了肿瘤中为何经常发生某些Gasdermin 蛋白的表达沉默。
 

在小鼠肿瘤模型中,激活10%癌细胞的焦亡通路就可以显著抑制肿瘤的生长。[16]


研究者由此建立的科学假说是:

如果我们把肿瘤组织想象成一座坚固的“堡垒”,其周围有肿瘤微环境筑成的 “护城河” 保护,使得免疫细胞向其发出的每一次进攻都无功而返。而小剂量的焦亡通路激活剂就像是一个个“炸药包”,能在肿瘤城堡的墙角下炸出一些缺口,进而辅助我们自身的免疫细胞攻破肿瘤细胞的城池。


这个假说如果成立,对于抗肿瘤药物的开发来说将是极大的利好消息。

焦亡通路激活剂作为 “炸药包” 抗肿瘤,主要是依赖后续的免疫放大效应。Gasdermin 蛋白并不需要 “炸死” 所有癌细胞,但可以通过炸掉一小部分癌细胞,吹响肿瘤免疫冲锋的号角。此时,一部分正常组织细胞的伤亡难以避免,但由于我们的免疫细胞具有分辨 “自己人”(正常组织细胞)和 “敌人”(肿瘤细胞)的能力,焦亡引起的免疫放大效应将会选择性地发生在肿瘤细胞的阵地,极大程度地降低药物对正常组织的毒副作用。

那么,诱发焦亡通路的办法有哪些呢?

2016年,邵峰团队在研究发现 GSDMD 通过在细胞膜上打孔实现膜裂解的时候就发现,在 Gasdermin 家族蛋白的疏水界面改变一些特定氨基酸,能导致 Gasdermin 持续激活—— 这意味着,研究者有可能找到一些小分子,它们通过与 Gasdermin 结合,模拟那些氨基酸改变的效果实现 Gasdermin 自抑制状态的解除,进而诱发焦亡。[6]
 

GSDM具有成为小分子药物靶点潜力的依据:一些关键位点的突变可以导致GSDM家族蛋白处于持续激活状态。[6]

 
如果这种小分子能通过口服或者静脉注射的方式应用于临床治疗,医生可以精确地控制给药量,很大程度上将可以保障药物的安全性。

当然,前提是能找到这样一些性质优良的小分子。

“针对细胞焦亡通路小分子激活剂的筛选工作会有相当的难度” ,邵峰对《知识分子》表示,“我们目前正在筛选能选择性激活 GSDMD 的激活剂。” GSDMD 是在多种肿瘤组织中都普遍表达的一个 Gasdermin 蛋白家族成员。[7]

如果说筛选 Gasdermin 家族蛋白激活剂将是一个长期的过程,发现Gasdermin 蛋白在肿瘤免疫反应中的重要作用也为肿瘤免疫的精准治疗带了一个近在眼前的可能机会。

具体来说,既然免疫细胞能通过诱导焦亡的方式杀死癌细胞,那么,或可将 Gasdermin 家族蛋白作为一种生物标志物,在临床上将病人分组—— Gasdermin 家族蛋白表达量高的病人接受肿瘤免疫治疗可能会有更好的效果。

邵峰告诉《知识分子》,他们正在与相关的医生和临床方面的科学家积极合作,希望能将基础研究的发现尽快造福于肿瘤患者们。

参考文献

[1] Ventus Therapeutics Launches with $60 Million Series A.  https://www.businesswire.com/news/home/20200506005211/en/Ventus-Therapeutics-Launches-60-Million-Series (2020).

[2] Quench Bio closes $50M Series A Financing to Advance First-in-Class Medicines Targeting Gasdermin to Treat Severe Inflammatory Diseases. https://quenchbio.com/press/quench-bio-closes-50m-series-a-financing-to-advance-first-in-class-medicines-targeting-gasdermin-to-treat-severe-inflammatory-diseases/ (2020).

[3] Bergsbaken, T., Fink, S. L. & Cookson, B. T. Pyroptosis: host cell death and inflammation. Nature Reviews Microbiology 7, 99-109 (2009).

[4] Shi, J. et al. Cleavage of GSDMD by inflammatory caspases determines pyroptotic cell death. Nature 526, 660-665 (2015).

[5] Kayagaki, N. et al. Caspase-11 cleaves gasdermin D for non-canonical inflammasome signalling. Nature 526, 666-671 (2015).

[6] Ding, J. et al. Pore-forming activity and structural autoinhibition of the gasdermin family. Nature 535, 111-116 (2016).

[7] Broz, P., Pelegrín, P. & Shao, F. The gasdermins, a protein family executing cell death and inflammation. Nature Reviews Immunology, 1-15 (2019).

[8] Masson, D. & Tschopp, J. A family of serine esterases in lytic granules of cytolytic T lymphocytes. Cell 49, 679-685 (1987).

[9] Heusel, J. W., Wesselschmidt, R. L., Shresta, S., Russell, J. H. & Ley, T. J. Cytotoxic lymphocytes require granzyme B for the rapid induction of DNA fragmentation and apoptosis in allogeneic target cells. Cell 76, 977-987 (1994).

[10] Lowin, B., Hahne, M., Mattmann, C. & Tschopp, J. Cytolytic T-cell cytotoxicity is mediated through perforin and Fas lytic pathways. Nature 370, 650-652 (1994).

[11] Darmon, A. J., Nicholson, D. W. & Bleackley, R. C. Activation of the apoptotic protease CPP32 by cytotoxic T-cell-derived granzyme B. Nature 377, 446-448 (1995).

[12] Chowdhury, D. & Lieberman, J. Death by a thousand cuts: granzyme pathways of programmed cell death. Annu. Rev. Immunol. 26, 389-420 (2008).

[13] Masson, D., Nabholz, M., Estrade, C. & Tschopp, J. Granules of cytolytic T‐lymphocytes contain two serine esterases. The EMBO journal 5, 1595-1600 (1986).

[14] Zhou, Z. et al. Granzyme A from cytotoxic lymphocytes cleaves GSDMB to trigger pyroptosis in target cells. Science (2020).

[15] Zhang, Z. et al. Gasdermin E suppresses tumour growth by activating anti-tumour immunity. Nature 579, 415-420 (2020).

[16] Wang, Q. et al. A bioorthogonal system reveals antitumour immune function of pyroptosis. Nature 579, 421-426 (2020).


制版编辑 | 皮皮鱼

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科学新媒体"知识分子"撰稿人、密歇根大学分子生物学在读博士研究生
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