点评 | 张志斌（MD Anderson）、孙丽明（生化细胞所）
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完整的细胞膜是细胞行使正常生命活动的基石。RNA世界学说（RNA world hypothesis）认为，地球早期的生命分子首先是以RNA形式呈现的，因为RNA分子可能同时拥有类似DNA的遗传信息储存功能和类似蛋白质的催化能力。为了保障这些遗传信息的安全，同时满足生命所需生化反应的最优条件，磷脂分子会自发地装配、包裹在RNA（以及之后出现在生命体中的DNA和蛋白质）的最外围，进而形成最初形式的原始细胞膜结构。在细胞和细胞膜的出现后，细胞膜完整性对于细胞而言就变得至关重要。
2022年1月10日，来自匹兹堡大学的巩乙南实验室在Developmental Cell上发表了文章Sensing plasma membrane pore formation induces chemokine production in survivors of regulated necrosis，揭示了细胞如何感知细胞膜的完整性缺失、并启动免疫警示的机制。
细胞膜完整性的破坏将导致细胞裂解和细胞内容物的释放。当细胞暴露于极端物理或化学环境，例如镭射激光，去垢剂，由细菌或免疫细胞产生的打孔素时，细胞膜无法维持其完整性从而导致细胞死亡。同时，细胞自身另有一套生理机制可以从细胞内部裂解细胞，即程序性细胞坏死，例如necroptosis以及pyroptosis（焦亡），这意味着细胞在特定情况下可自行决定细胞膜完整性乃至自身命运。虽然细胞膜完整性的破坏会导致的细胞死亡，但这并非是一个不可逆的过程，事实上，细胞可以容忍一定程度的细胞膜破损。一定程度破损的细胞膜可被细胞膜修复机制所修复，最终使得细胞在膜受损中得以存活。这些修复机制包括ESCRT-III 参与的细胞膜剪切和脱落。巩乙南博士曾在2017年揭示 ESCRT-III修复necroptosis中细胞膜破损的具体过程（Gong, et al. Cell. 2017）。
对于正在承受非致死剂量的细胞膜破损的细胞而言，除了膜修复以外，细胞是否会做出其他生理反应呢？比如，这些细胞是否可以将自身受到的细胞膜压力信号转换成为免疫信号来警示周围微环境？在最新发表的文章中，巩乙南实验室发现，在细胞膜破损处局部的钙离子内流帮助招募S660位磷酸化的PKCs。磷酸化的PKC开启下游的NF-κB信号通路以及RelA/Cux1转录因子进而促进趋化因子CXCL1/2/8/10的表达和分泌。多种细胞膜的损伤（包括去垢剂，necroptosis以及pyroptosis等）均可招募S660位磷酸化的PKCs并激发下游的趋化因子产出。因此，细胞膜的非致死破损可以被看作一个物理的损伤相关分子模式（DAMP），而S660位磷酸化的PKCs在功能上成为了模式识别受体（pattern recognition receptors），介导下游的天然免疫反应。
细胞对于细胞膜完整性做出的反应 （plasma membrane integrity responses，PMI）与多种疾病息息相关。在晚期的乳腺癌和胰腺癌， 以及肾移植手术后的病人中，都观察到了这些趋化因子生成的现象。巩乙南团队利用小鼠腹膜炎模型，还发现细胞膜破损导致的趋化因子分泌对于免疫细胞的迁移以及迁移导致的腹膜炎至关重要。这些发现提示广泛存在的PMI现象有潜在的重要生物学功能，将对多种疾病的发展提供独特的视角并为其治疗起到指导作用。
在分子水平，细胞膜完整性反应PMI的信号通路与酵母中细胞壁完整性的反应通路（cell wall integrity responses，CWI）平行。对于酵母而言，虽然被命名为CWI，但是这条通路的激活不只依靠细胞壁的损伤，细胞膜损伤同样也能够激活它，例如低剂量的去垢剂SDS。无论是单细胞生物还是多细胞生物，既然细胞膜（壁）是细胞抵抗外围环境的第一层防御，产生裂缝就在所难免；因此细胞对于这些裂缝的感知和管理就成为一条保守的生理机制。
幸好，“生命必须有裂缝，阳光才照的进来” (《近未来》，苏打绿)。
这项工作由匹兹堡大学Hillman 癌症中心Weihong Wang博士和Josh Prokopec技术员共同担任第一作者。Jacob Stewart-Ornstein博士承担生物信息工作并担任共同通讯作者。
专家点评
张志斌博士（MD Anderson）
可调控的程序性细胞坏死（programmed necrotic cell death），包括坏死性凋亡（necroptosis） 和细胞焦亡（pyroptosis），通常以细胞膜的破损为其重要标志。膜穿孔蛋白MLKL以及Gasdermin分别介导了坏死性凋亡以及细胞焦亡【1-3】。值得一提的是，细胞程序性坏死并非不可逆，在坏死通路激活的情况下，ESCRT-III 介导的膜修复系统能够对破损的细胞膜进行修复【4,5】，因而细胞最终是否进入程序性坏死取决于坏死通路激活的强度和细胞膜修复的力度，是一个动态的过程。可以想见，在低浓度(sublytic)刺激的情况下，部分细胞可能激活坏死通路而不死；而在高浓度刺激的情况下，对于细胞群体而言，很少有100%细胞坏死，因而少部分细胞也可能经历坏而不死的情况。然而对于这些坏而不死的细胞我们知之甚少。
通过使用低浓度刺激，巩乙南研究组（巩乙南博士的早期研究揭示了ESCRT-III膜修复系统对necroptosis的负调控）对各种坏而不死的细胞进行了系统的研究， 报道了一个全新的但广泛存在的膜破损识别机制Plasma Membrane Integrity (PMI) response。在低烈度的程序性坏死通路激活后，细胞膜穿孔导致钙离子的流入，从而激活了PKCs。磷酸化激活的PKCs 进一步激活NF-κB信号通路，最终导致细胞趋化因子（Chemokine, e.g. CXCL1）的表达上调及生成。细胞趋化因子的生成能够直接导致巨噬细胞的招募。有意思的是，在晚期癌症样品以及失血性损伤的肾脏样品中，MLKL激活的细胞中亦观察到细胞趋化因子的生成，表明这一机制在体内广泛存在。总而言之，该研究第一次鉴定了一条广泛存在的膜破损识别通路，是细胞坏死及相关领域的一个重要突破。同时，该研究报道了细胞坏死通路的一个全新功能，即在坏而不死的细胞中生产细胞趋化因子。这一发现填补了领域的空白，为进一步了解细胞坏死通路与免疫系统互作提供了宝贵的思路，也为未来的临床转化研究提供了理论基础。
专家点评
孙丽明研究员（生化细胞所）
程序性细胞死亡 (programmed cell death) 包括细胞凋亡（apoptosis）、程序性细胞坏死 (necroptosis)、细胞焦亡（pyroptosis）等。根据细胞膜损伤与否，这些细胞死亡方式又可以被归类为膜完整性细胞死亡（如细胞凋亡）以及膜裂解性细胞死亡（如程序性细胞坏死、细胞焦亡等）。破膜蛋白MLKL以及GSDM家族蛋白的激活分别介导了程序性细胞坏死和细胞焦亡的膜损伤，最终导致细胞死亡以及细胞内容物的释放。破膜蛋白所造成的膜损伤是否一定导致细胞的死亡？Douglas Green 教授团队（巩乙南博士为一作）和Peter Broz教授团队分别于2017年的Cell以及2018年的Science期刊上先后发表研究论文报道了ESCRT-III （endosomal sorting complexes required for transport III）能够在破膜蛋白MLKL或GSDMD造成的膜损伤部位进行修复，将损伤部位的膜剪切掉【4,5】。这一过程在膜损伤初期起到了逆转细胞死亡命运的作用。这项发现证实了细胞本身对于破膜蛋白造成的膜损伤具有一定的忍耐度，即损伤的细胞膜如果被ESCRT修复则能够使细胞命运免于走向死亡。这项发现也引发了细胞死亡领域学者们一轮新的思考：那颗被从死亡线上拯救回来的细胞，还是原来那颗细胞吗？
来自美国匹兹堡大学的巩乙南教授团队最新研究结果显示，细胞在发生非致死性膜损伤后，即细胞处于“亚死亡”阶段（sub-lethal PM pore-forming）时，PKC可以感知膜损伤部位钙离子内流，最终激活NFkB上调趋化因子的转录水平，随后趋化因子被大量释放到胞外招募免疫细胞向死亡细胞迁移。该过程被研究者们称为“细胞膜完整性应激反应”（“Plasma Membrane Integrity (PMI) response”）。这项研究最大的亮点在于定义了一个非死亡状态下细胞膜的轻度损伤即可触发免疫反应的生理意义。细胞走向死亡的过程，是个多维度的生理事件。在生物体内，膜裂解蛋白（MLKL、GSDM等）势必与膜修复蛋白ESCRT处于广阔的动态平衡区间内，通过对膜的损伤及修复，动态调控细胞因子与趋化因子的转录，从而在细胞非死亡状态下改变组织细胞的免疫微环境。
参考文献
1 Wang, H. et al. Mixed lineage kinase domain-like protein MLKL causes necrotic membrane disruption upon phosphorylation by RIP3.Molecular cell54, 133-146,(2014).
2 Liu, X. et al. Inflammasome-activated gasdermin D causes pyroptosis by forming membrane pores.Nature535, 153-158,(2016).
3 Ding, J. et al. Pore-forming activity and structural autoinhibition of the gasdermin family.Nature535, 111-116,(2016).
4 Gong, Y. N. et al. ESCRT-III Acts Downstream of MLKL to Regulate Necroptotic Cell Death and Its Consequences.Cell169, 286-300 e216,(2017).
5 Ruhl, S. et al. ESCRT-dependent membrane repair negatively regulates pyroptosis downstream of GSDMD activation.Science362, 956-960,(2018).
论文链接
https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(21)01035-2
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