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冷冻电镜中心助力王迪课题组《Science Immunology》封面论文

2022-02-05 20:48 发布人:系统管理员

 

王迪课题组《Science Immunology》封面论文揭示杯状细胞GSDMD调控粘液分泌塑造肠道免疫稳态的新功能

肠道组织是体内重要的“免疫-代谢-菌群”交互调控器官,其稳态的维持对于肠道生理功能的发挥并抵抗病原微生物的侵入至关重要。肠道上皮细胞中的杯状细胞(goblet cell)通过分泌粘液蛋白(mucin)形成贴附在上皮层面上的粘液层(mucus layer)进而隔离并控制肠道微生物的定殖和侵入,在肠道免疫中发挥关键性作用。然而目前对于肠道杯状细胞如何分泌粘液蛋白并维持粘液层的形成及其关键控制分子仍不明确。

Gasdermin-D(GSDMD)是近些年发现的一种介导细胞裂解性死亡的成孔蛋白,能够在不同病理条件下介导细胞焦亡并促进炎症反应。在这方面研究中,中国学者做出了一系列重要的开创性工作。值得注意的是,GSDMD是否在非免疫细胞中存在着独立于焦亡和炎症的其他功能也成为领域内重要的科学问题并引起大家的关注

2022年2月4日,浙江大学基础医学院王迪课题组在Science Immunology封面文章的形式发表了题为Epithelial Gasdermin D shapes the host-microbial interface by driving mucus layer formation的研究论文。

该研究发现GSDMD在稳态情况下对于肠道杯状细胞分泌粘蛋白并形成粘液层从而维持肠道免疫稳态具有重要的调控作用。在肠道上皮细胞中特异性敲除GSDMD会导致小鼠在生理情况下缺失肠道粘液层并导致肠道微生物对上皮屏障的物理性贴附,而基因敲除小鼠对肠道病原菌感染也表现出更强的易感性。该现象的分子机制在于杯状细胞中活化的GSDMD会通过Ca2+-Scinderin依赖的细胞骨架重塑介导粘液囊泡外排(mucin granule exocytosis)。该研究揭示了GSDMD蛋白以非焦亡方式(non-pyroptotic)参与介导肠道杯状细胞分泌型囊泡的外排,塑造肠道屏障稳态的重要生理作用。

研究人员首先检测并发现GSDMD在小鼠大肠组织的上皮细胞中有明显的表达以及活化切割,并证实该上皮细胞中GSDMD的活化依赖于NLRP6炎症小体。

GSDMD在肠道上皮细胞中生理性表达及活化的意义是什么?为了回答这个问题,研究人员构建了肠道上皮细胞GSDMD特异性敲除小鼠(GsdmdΔIEC),通过组织学染色、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等手段,惊奇地发现GsdmdΔIEC小鼠大肠中的粘液层几乎消失,同时有大量囊泡状的“凸起物”出现在肠道上皮表面,TEM结果提示这些“凸起物”是由多个单独包裹的囊泡组成并存在于杯状细胞中。GsdmdΔIEC小鼠中有大量肠道共生菌直接贴附到肠道上皮表面。同时通过柠檬酸杆菌(Citrobacter rodentium)定植实验发现GsdmdΔIEC小鼠表现出更严重的细菌感染情况以及更差的细菌排空效果。这些结果表明上皮细胞中的GSDMD对于维持肠道杯状细胞分泌粘蛋白并形成粘液层,从而分隔肠道上皮与肠道菌群,抵御外来感染发挥关键的作用。

研究人员为了更好地模拟体内的环境,同时方便检测肠道受不同信号刺激后粘液层的变化,基于3D打印技术构建了一套肠道体外活体培养及检测体系,同时结合透明化成像技术对肠道粘液层实现了动态可视化观察。通过对离体肠道给予多种已知或潜在的细菌来源的刺激物处理,发现革兰氏阴性菌来源的LPS或肠道共生菌-脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)能够有效的刺激肠道粘液层的形成。同时通过LDH释放和PI 体内注射等一系列实验发现GSDMD活化并刺激粘液分泌的过程并不伴随着细胞死亡。这些结果表明生理情况下肠道共生菌能够提供杯状细胞中GSDMD活化的信号,同时活化的GSDMD以非焦亡依赖的方式促进杯状细胞分泌粘液,从而维持正常的肠道屏障稳态。

机制上,研究人员通过小鼠肠道蛋白质组分析等手段,发现GsdmdΔIEC小鼠大肠中的肌切蛋白(Scinderin)蛋白下调最明显,并且GO分析表明分泌型囊泡外排通路受到明显抑制。Scinderin是一种细胞骨架调控蛋白,在维持细胞囊泡运输(如神经递质的分泌)中具有重要的作用,同时Scinderin在细胞内发挥作用依赖于Ca2+的浓度。研究人员通过一系列实验最终证实GSDMD通过Ca2+-Scinderin依赖的细胞骨架重塑促进粘液囊泡外排。

浙江大学基础医学院王迪教授为该论文的通讯作者,浙江大学基础医学院博士生章健为该论文的第一作者。本研究也得到了浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室贺永教授的支持。同时感谢浙江大学冷冻电镜中心和浙江大学医学院公共技术平台的支持。

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