韩家淮/陈鑫团队首次解析细胞坏死小体原位纳米尺度组织模式

　　

无数的事实不断提醒着我们，历经千万年的进化而存在至今的各种生命体中时刻充满着精妙优美、高效和谐的生命活动。而作为生命体基本功能单元的细胞，虽然尺寸非常微小（哺乳动物细胞一般在几十微米），但具有丰富多样的区室化结构（细胞器等）和数量众多的大分子复合物，以实现生物学功能的精确调控。现代生物学的理论基石——细胞学说（cell theory，1838年-1858年，由施莱登、施旺提出，魏尔肖完善）诞生至今已经将近两百年，我们仍然无法彻底解析任一细胞在稳态/应激条件下的分子水平精细结构，自然也无法随心所欲地改造/控制细胞，实现人类健康和社会进步的宏伟目标。

程序性死亡是细胞命运决定的关键一环，很可能是细胞个体所做出的最重大的抉择。单个细胞的死亡并不意味着终结，而常常是在生理病理过程中以多种多样的方式发挥着不可或缺的影响。人类已经发现了多种程序性细胞死亡模式，如凋亡（apoptosis）、坏死样凋亡（necroptosis）和焦亡（pyroptosis）等，其复杂的调节网络显示着细胞对于死亡这一终极抉择的慎重。我们对于这种精细调控的理解相当程度上来源于经典的炎症明星分子——肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）所介导的细胞坏死样凋亡。该刺激信号能够促使关键蛋白RIP1和RIP3形成坏死小体复合物（necrosome），进而招募并激活下游分子MLKL，后者转位到细胞膜最终导致细胞死亡。坏死小体作为细胞坏死样凋亡的重要信号处理枢纽，涉及到多个核心分子（RIP1/RIP3/MLKL）的招募激活和信号放大/转变等复杂过程。常规共聚焦荧光显微镜的结果显示细胞死亡过程会产生大小不等的坏死小体点状信号（necrosome puncta），提示该信号枢纽很可能存在动态组装过程。虽然早期的体外结构分析揭示了RIP1-RIP3 RHIM结构域的淀粉样特性（Cell. 2012，150:339-50），坏死小体在细胞中是如何精准处理复杂信号，进而决定细胞死亡命运，仍然是一个未解的谜团。

韩家淮院士和陈鑫团队长期聚焦于细胞程序性死亡的分子机制研究，尤其擅长从成像角度解析重要分子的功能模式（MLKL, Cell Res. 2014，24:105-21; GSDMD, Cell Res. 2016,26:1007-20）。在一次次仔细观察细胞死亡的形貌变化过程中，他们逐渐对细胞坏死样凋亡的核心枢纽——坏死小体产生了浓厚的兴趣。借助于蓬勃发展的超分辨成像技术（2014年诺贝尔化学奖），该团队尝试了多种目前较成熟的技术流派（SIM，Airyscan，STED），最终聚焦于由哈佛大学庄小威实验室发展并命名的单分子定位超分辨成像技术（STORM）。历时8年，首次在细胞原位揭示了坏死小体纳米尺度的组装特性以及该组织结构对细胞死亡信号的决定作用。相关工作以《Mosaic composition of RIP1-RIP3 signalling hub and its role in regulating cell death》为题，2022年3月7日发表于Nature Cell Biology杂志上。

在这一工作中，团队成员首先对STORM成像全流程进行细致优化，在生物样本上实现优于常规共聚焦显微镜10倍以上的分辨率（13-18 nm定位精度）。其次，成功观察到死亡细胞中的坏死小体由初始点团样结构演化为规则的棒状结构（直径约50 nm，长度约200~600 nm）的组装模式，并且在该规则棒状结构中呈现出明显的由RIP1/RIP3组成的马赛克状分布。进一步的分子机制研究揭示了只有马赛克分布中的RIP3区域满足一定的尺度要求（如四聚体及以上），才能有效地诱导下游效应分子MLKL发生多聚化，进而靶向细胞膜导致细胞死亡发生。通过抑制关键因子RIP1的激酶活性可以阻碍坏死小体的有序马赛克样棒状结构的产生，抑制细胞死亡。有趣的是，RIP3激酶活性缺失导致的细胞死亡模式转变（necroptosisàapoptosis）也有赖于该结构中的RIP1多聚化程度，提示团队发现的坏死小体马赛克样组织结构很可能是细胞内控制死亡方式的信号选择模块（signaling divarication）。上述结果在细胞原位揭示了关键信号枢纽纳米尺度上的组织特性及其对信号传递/放大/转换的贡献，为未来发展特异性抑制程序性细胞死亡的干预手段提供新的思路。

细胞内存在数量众多的生物大分子复合物（分子量在MDa，甚至百MDa以上），都是控制生命活动的核心功能枢纽，如DNA复制/转录起始复合物、mRNA翻译起始复合物、核孔复合物和细胞器膜上的各类转运复合物等。单颗粒冷冻电镜技术（single-particle cryo-EM）是目前解析蛋白质结构的利器，但面对细胞内这些结构巨大、成分复杂、高度异质的功能复合物仍存在较明显局限性。韩家淮院士和陈鑫团队的工作证明纳米尺度光学成像是解析此类大型生物大分子复合物的组织特征和功能模式的可行方案之一。未来随着前沿成像技术的进一步发展，如单纳米分辨精度显微镜、冷冻断层扫描技术（cryo-electron tomography, Cryo-ET）等，人类终有一天将能够清晰地观察到时刻运转着的，神奇的生命内在规律。

该论文的第一作者为厦门大学生命科学学院陈鑫副教授，韩家淮院士和陈鑫副教授为共同通讯作者。厦门大学物理科学与技术学院帅建伟教授团队为图像数据处理提供了重要的帮助。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、医学科学院创新基金、高等学校学科创新引智计划等的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41556-022-00854-7

BioArt链接：https://mp.weixin.qq.com/s/NkMwUsDJ8aywXAxAKmQTWA

科学网-小柯生命链接：https://mp.weixin.qq.com/s/04qxO9-m50fasyLTZIggRA

（文/陈鑫；图/万芷辰）