。在经典的焦亡过程中,炎症小体 (Inflammasomes) 激活的Caspase-1和Caspase-11/4蛋白酶会裂解GSDMD,GSDMD的N端 (GSDMS-NT) 在细胞膜上组装成孔洞,导致细胞裂解,并通过ninjurin1蛋白释放细胞因子 (如IL-1β和IL-18) 和损伤相关分子模式 (DAMPs)。焦亡在健康和疾病中的作用正逐渐被认识,适度的焦亡可对抗微生物和肿瘤,而过度的焦亡则可能导致过度炎症反应,带来致命的后果。因此有理由相信过度的细胞焦亡反应可能通过效应 (Bystander effect) 激活周围细胞的焦亡,而这一机制仍不清楚。旁观者效应指的是某些细胞并未直接接触到刺激 (如病原体、毒素或其他应激信号) ,但由于收到周围接触到信号的细胞影响,也会发生功能变化或死亡。
为了验证细胞焦亡是否能通过旁观者效应影响周围细胞,作者首先通过NLRP3激活剂nigericin刺激共培养的野生型骨髓来源巨噬细胞 (WT BMDMs) 和Nlrp3−/− BMDMs,其中WT BMDMs单独培养能被刺激激活细胞焦亡反应,而Nlrp3−/− BMDMs单独培养则不能被激活。但是,当两种BMDMs共培养后,Nlrp3−/− BMDMs也发生细胞死亡现象,这表明焦亡可能通过旁观者效应传播。为排除炎症小体激活剂对旁观者细胞的直接作用,研究者设计了一个炎症小体配体非依赖的系统,通过诱导GSDMD-NT (焦亡的核心执行分子) 触发焦亡,证实焦亡传播是由于细胞间相互作用,而非药物的直接影响。并且,焦亡传播具有时间先后顺序,先是直接被诱导的细胞经历焦亡 (2–6小时内) ,接下来共培养的旁观者细胞也逐渐表现出焦亡特征 (8–12小时后) 。旁观者细胞表现出典型的细胞膜破裂特征,能够被DRAQ7染料标记。这与直接被诱导的焦亡细胞的标志相一致,表明旁观者细胞确实经历了焦亡。此外,作者还通过三个体内模型发现,焦亡可以在体内传播至旁观者细胞,且不依赖于细胞间的直接接触,导致未直接受到刺激的细胞发生死亡。
为了研究焦亡向旁观者细胞传播的机制,作者分析了焦亡细胞分泌的细胞外囊泡(Extracellular vesicles,EVs) 。研究发现,焦亡细胞分泌的上清液中诱导细胞死亡的活性主要由EVs介导,去除EVs后,上清液失去杀伤能力,而纯化的EVs可以单独引发旁观者细胞死亡。更进一步的体内研究发现,焦亡细胞分泌的EVs注射到Gsdmd−/−小鼠腹腔,能引发腹腔细胞死亡,导致组织损伤和促炎基因通路的激活,通过增强炎症反应放大病理效应。作者接下来研究了焦亡细胞分泌的EVs如何引发旁观者细胞的焦亡。他们发现这些EVs携带有活性的GSDMD-NT直接引发旁观者细胞的死亡,而不依赖接受细胞的炎性小体或自身GSDMD。他们还拓展了这一发现,不仅焦亡细胞分泌的EVs,坏死性凋亡细胞分泌的EVs也通过携带执行分子 (如MLKL) 引发旁观者细胞死亡。
文章的最后,作者详细解析了焦亡细胞释放EVs如何通过携带GSDMD-NT引发旁观者细胞的死亡。通过免疫电镜,作者发现GSDMD定位在EVs的外表面,而超分辨率显微镜发现GSDMD以弧形、环形、线形的孔状结构存在,与焦亡细胞膜上的GSDMD孔形状相似。将EVs与旁观者细胞共培养,可以观察到EVs通过直接插入,将GSDMD孔转移到旁观者细胞的膜上,导致细胞膜裂解。使用人工构建的GSDMD孔负载脂质体与旁观者细胞共培养,也能观察到GSDMD孔从脂质体转移到新脂质体或旁观者细胞膜上,导致膜泄漏和细胞裂解。并且这些GSDMD孔的转移并不需要EVs的内化。这些结果表明,GSDMD孔的移植能力是焦亡EV传播旁观者焦亡的主要机制。
总的来说,作者揭示了细胞焦亡向旁观者细胞传播的具体机制,主要是通过分泌携带GSDMD孔的EVs直接向旁观者细胞转移,导致细胞裂解和死亡,并且这一机制独立于接受细胞的分子信号路径。这种“孔移植”机制可能在炎症性疾病和组织损伤中发挥重要作用,通过焦亡EVs的释放和传播扩大焦亡的影响范围。