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βγ-CAT是一个从中国西南部特有的两栖动物大蹼铃蟾(Bombina maxima)皮肤分泌物中分离得到的,由非晶状体βγ-晶状体蛋白(α-亚基,CAT-α)和三叶因子蛋白(β-亚基,CAT-β)结合在一起形成的天然复合物。其α-亚基与β-亚基通过非共价的方式交联形成αβ2,分子量为72-kDa。CAT-α的N-末端部分(CAT-αN,1-170氨基酸残基)是两个βγ-晶状体结构域,C-末端部分(CAT-αC)与产气荚膜梭菌ε毒素的膜插入结构域有序列同源性。
本实验室前期工作发现βγ-CAT处理后的人脐静脉内皮细胞多种应激蛋白以及免疫相关分子表达上调,同时,βγ-CAT也可以强烈地激活caspase-1。基于以上研究基础,我们推测βγ-CAT可能参与免疫调节,而其在大蹼铃蟾自身的生理功能也很可能就是调节皮肤免疫。
炎症小体是指可以激活炎症性caspase以及细胞因子并促进白细胞介素1-beta(IL1β)、白细胞介素18以及白细胞介素33成熟与分泌的大分子复合物。近年来的研究发现炎症小体在天然免疫系统中发挥着重要作用,它可以多种被病原相关分子模式(PAMPs)激活,也可以被很多种危险信号相关分子模式激活(DAMPs)。βγ-CAT可以激活THP-1细胞NLRP3炎症小体,并促进白细胞介素1-beta以及白细胞介素18的成熟与分泌。βγ-CAT刺激后的THP-1细胞表现出钾离子外流、胞外钙离子内流以及活性氧释放等特征。胞外高浓度钾离子以及胞内钙离子螯合剂都可以明显抑制NLRP3炎症小体的激活以及白细胞介素1-beta的成熟与分泌,说明钾离子的外流和胞质中钙离子浓度的增加都是βγ-CAT诱导的NLRP3炎症小体激活所必需的。
依赖caspase-1的促炎性程序性细胞死亡即pyroptosis,是近年来发现的一种新的程序性细胞死亡方式。Pyroptosis发生过程中,依赖于caspase-1活性的孔道在细胞膜上形成并释放细胞内容物,触发免疫反应。βγ-CAT可以诱导人真皮成纤维细胞死亡,而这种死亡可以被caspase-1抑制剂所抑制,因此认为βγ-CAT诱导成纤维细胞死亡的方式为pyroptosis。βγ-CAT诱导的成纤维细胞的死亡也可以被胞外钙离子螯合剂EGTA以及胞内钙离子螯合剂BAPTA-AM所抑制,说明钙离子在βγ-CAT诱导的成纤维细胞pyroptosis过程中起到重要作用。βγ-CAT可以引起明显的细胞溶酶体破裂,而且胞吞抑制剂M-beta-CD和细胞松弛素D都可以明显抑制βγ-CAT诱导的pyroptosis,说明内吞过程在βγ-CAT形式功能过程中能够起到重要作用。
以上的结果有力地支持了我们认为βγ-CAT参与天然免疫的推测,前期的实验证明βγ-CAT对表皮层的角质形成细胞没有任何生物学效应,因此我们推测βγ-CAT是区域性危险信号,在正常的生理状态下,βγ-CAT存在于皮肤表面不发挥作用,而当皮肤组织受损时,βγ-CAT进入皮肤更深层次,诱导真皮层成纤维细胞发生炎症性死亡,诱导免疫细胞分泌促炎症性细胞因子,进一步诱发免疫反应。为了进一步验证我们的假设,我们培养了大蹼铃蟾成纤维细胞,以在以后的研究中更深入研究βγ-CAT的免疫调节功能。
在本研究中,我们首次提出了区域性危险信号(Regional innate danger signal)的概念,βγ-CAT结构相似的分子并不只是存在于大蹼铃蟾,在其他两栖动物、爬行类、鸟类以及哺乳类都有类似结构的分子,因此我们推测这种区域性危险信号可能广泛存在于脊椎动物中而参与免疫调节。另外,本研究也为揭示很多细节尚不清楚的炎症小体以及pyroptosis的相关信号通路提供一些基础数据。最后,我们对βγ-CAT的研究也为最终揭示非晶状体βγ-晶状体蛋白的生理功能提供新的线索。