Cell Reports | Matthias Mann团队新研究揭示凋亡Vs坏死性细胞死亡过程蛋白质组差异

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细胞死亡(cell death)可表现为坏死（necrosis）和凋亡（apoptosis）。既往研究表明，凋亡和坏死细胞周围微环境上存在不同特性。两种死亡方式通过释放不同的分子，从而导致明显不同的生理结果。近年来，基于质谱的蛋白质组学的飞速发展，为系统地研究不同死亡方式下细胞内含物的释放提供了一个全面的发现工具。

2020年1月28日，蛋白质组学研究领域著名科学家Matthias Mann团队（德国Max Planck Institute of Biochemistry）在著名学术期刊Cell Reports上发表论文，运用基于质谱的蛋白质组学技术，深度揭示了细胞凋亡和坏死病期间的蛋白质释放差异与动态变化。

研究人员在淋巴瘤细胞系和人类原发性巨噬细胞中诱导了TNF介导的细胞凋亡和坏死，通过蛋白质组学分析揭示了从中释放的数百种蛋白质。发现两种细胞死亡类型均引起受体脱落，但仅凋亡细胞释放核小体成分。坏死性细胞通过在坏死诱导的膜透化的早期激活溶酶体胞吐作用来释放溶酶体成分，并减少了常规分泌的细胞因子的释放。

图1. TNF诱导的细胞凋亡和坏死期间动态释放的蛋白质

1. T细胞凋亡和细胞坏死蛋白质组定量分析

为了揭示凋亡和坏死性炎症的差异，研究者利用label-free蛋白质组定量技术（质谱策略）对TNF诱导的凋亡性（TNF+SM）和坏死性（TNF+SM+IDN-6556）U937细胞上清液（样本策略）进行了定量分析，共鉴定出3,507个蛋白质。研究发现，与对照组相比，细胞坏死有数百种蛋白质的水平发生了显著变化，两种死亡方式蛋白差异主要体现在胞质蛋白的减少，以及线粒体蛋白和ER蛋白的增加（图2）。

图2. 进行TNF诱导的细胞凋亡和坏死性细胞上清液分析

2. 坏死性细胞中常规分泌的细胞因子的释放明显减少

蛋白组分析显示与对照组相比，U937细胞坏死后期常规的细胞因子（含N端信号肽）分泌显著下调，而非常规细胞因子分泌无显著差异。进一步对坏死刺激的ER- Golgi网络分泌的常规细胞因子的系统检测结果显示：坏死早期常规分泌细胞因子显著增加，坏死后期只检测到少量常规细胞因子，而其细胞内水平和非常规因子的分泌在坏死前后期都无显著变化，表明ER- Golgi网络在坏死前期被激活，而在坏死后期被抑制（图3）。

图3.坏死性细胞中常规分泌的细胞因子的释放减少

3. 坏死和凋亡细胞中发生受体脱落

进一步对比凋亡和坏死细胞释放的蛋白质谱，研究人员发现“受体”蛋白在两种上清液中显著富集。然而，基于细胞外囊泡的蛋白质组分析证实“受体”蛋白并非通过胞吐释放。通过与DMSO处理组比较发现，“受体”蛋白衍生自受体胞外域的肽段，而“受体”蛋白脱落通过金属蛋白酶家族介导；与未处理组相比，“受体”蛋白脱落与其表达水平无关。另外，靶向干预实验表明仅通过同时阻断胱天蛋白酶激活和坏死性途径，才能完全预防TNF诱导的“受体”脱落（图4）。

图4.坏死和凋亡诱导ADAMs介导的受体脱落

4. 坏死细胞膜通透性诱导溶酶体胞吐作用，释放溶酶体蛋白

最后，研究人员分析了凋亡和坏死性细胞释放的特异性蛋白，结果显示凋亡细胞中核小体蛋白显著富集，而坏死细胞中溶酶体蛋白显著富集。为了证明溶酶体蛋白是否在胞吐过程中通过细胞外囊泡释放，研究人员首先分析证实了坏死性细胞的胞外囊泡中溶酶体成分显著富集。进一步通过vacuolin特异性抑制溶酶体胞吐作用，结果显示用vacuolin处理坏死性细胞可部分抑制总上清液中溶酶体成分的释放，表明坏死性细胞可以通过溶酶体胞吐作用释放溶酶体蛋白（图5）。

图5.溶酶体蛋白通过溶酶体胞吐作用被坏死性细胞释放

总之，本研究提供了在凋亡和坏死细胞死亡期间差异性和普遍释放的蛋白质的定量和动态变化分析，为研究细胞凋亡和坏死病过程中的复杂的生物过程提供了坚实的基础。两种细胞死亡期间各种蛋白质均广泛地释放，其中一些导致炎症的发生，而其他一些则可能以更复杂的方式起作用，还需要更多的研究进一步阐明其中的调控机制。

参考文献

[1] Tanzer M C, et al., 2020, Quantitative and Dynamic Catalogs of Proteins Released during Apoptotic and Necroptotic Cell Death. Cell Reports.

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