中南大学吕奔教授团队发现重症中暑诱导细胞死亡新机制，论文发在Science
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麻省理工科技评论-中南大学吕奔教授团队发现重症中暑诱导细胞死亡新机制，论文发在Science
热射病（重症中暑）是一种由热应激引起的疾病，它可能会危及患者生命，与循环衰竭和多器官功能障碍有关。据估计，因为全球变暖，热射病将可能成为威胁人类生命的主要疾病之一。根据美国的流行病学数据，热射病一旦诱发热衰竭，死亡率能达到 63.2%。然而，这种急性危重疾病发病机制的分子机制依然没有得到充分阐释。
近日，中南大学湘雅三医院吕奔教授团队在 Science 发表重要研究论文，题为《Z-DNA 结合蛋白 1 促进重症中暑引起的细胞死亡》（Z-DNA binding protein 1 promotes heatstroke-induced cell death），借此揭示热射病发病过程全新病理生理学机制。吕奔担任通讯作者，该团队袁芳芳博士担任第一作者 [1]。
该团队发现在热应激下，通过热休克转录因子 1（HSF1）促进 Z-DNA 结合蛋白 1 （ZBP1）的表达，并主要通过 RHIM 结构域激活 ZBP1，继而介导 RIPK3 依赖的细胞程序性死亡。
RIPK3 介导热应激诱导的细胞死亡和热应激反应
程序性细胞死亡是细胞自发死亡过程，包括细胞坏死，细胞焦亡以及细胞凋亡等。RIPK3 以激酶依赖性方式通过 MLKL 蛋白诱导细胞坏死，并以激酶非依赖性方式通过 caspase 8 诱导细胞凋亡和细胞焦亡。前期有研究发现，在秀丽隐杆线虫中，热应激能通过钙网蛋白和钙蛋白酶诱导细胞坏死，将这两种蛋白清除则抑制了热应激引起的秀丽隐杆线虫细胞坏死。
为了研究程序性细胞死亡在热应激中的作用，吕奔教授团队采用了四种基因敲除或突变小鼠，分别为 RIPK3 基因缺失（Ripk3-/-）小鼠，RIPK3 激酶域突变（Ripk3Δ/Δ）小鼠，MLKL 基因缺失（Mlkl-/-）小鼠，MLKL 及 caspase 8 基因缺失（Mlkl-/-Casp8-/-）小鼠。
课题组将上述小鼠和对照野生型小鼠置于高温高湿环境下诱发热应激反应。实验发现，对照组野生型小鼠出现了很严重的热应激病理特征，包括电解质紊乱、弥散性血管内凝血、全身炎症反应、循环衰竭、多器官损伤和死亡等。然而，基因敲除或突变小鼠的热应激反应明显小于对照组，并且 Ripk3-/-小鼠和 Mlkl-/-Casp8-/-小鼠生存率接近 100%，而 Ripk3Δ/Δ 小鼠和 Mlkl-/-小鼠生存率约 70-75%。
进一步，该团队通过实验证实，RIPK3 主要通过激酶依赖，部分通过非激酶依赖两种途径共同促进了热应激下的程序性细胞死亡现象。
热应激通过 ZBP1 激活 RIPK3
那么，是什么激活了 RIPK3？带着这样的疑问，课题组考察了 RIPK1、Trif，以及 ZBP1 在热应激中的作用。RIPK1、Trif 及 ZBP1 能结合并激活 RIPK3。体外研究表明，抑制 RIPK1 后不能明显减少热应激介导的细胞死亡。然而，敲除 ZBP1 蛋白则显著抑制了热应激介导的 RIPK3 磷酸化及细胞死亡，过表达 ZBP1 蛋白又能恢复热应激介导的细胞死亡现象。以上数据证实，热应激通过 ZBP1 激活 RIPK3。
进一步，该团队又采用了 ZBP1 基因缺失（Zbp1-/-）小鼠，并将 Zbp1-/-小鼠及其对照野生型小鼠置于高温高湿环境下诱发热应激反应。研究发现，与 RIPK3 缺失相似，ZBP1 的缺失也可防止热应激诱导的弥散性血管内凝血、全身炎症反应、循环衰竭、多器官损伤和死亡。这些数据表明，热应激通过 ZBP1 介导 RIPK3 激活，从而促进热应激病理特征的发展。
热应激通过 HSF1 增加 ZBP1 的表达
接下来，吕奔教授团队通过生物信息学分析发现 ZBP1 基因的启动子区域含有热休克转录因子 1 （HSF1） 的预测结合位点。进一步通过实验证实，在热应激发生后，可以增强 HSF1 激活以及 HSF1 与 ZBP1 基因启动子区域的结合。此外，他们在 ZBP1 基因的启动子区域删除了 HSF1 的预测结合位点，并对细胞进行热应激处理，发现 ZBP1 的基因转录激活没有增加。
Z-核酸传感功能对于热应激诱导的 ZBP1 激活是非必需的
ZBP1 是一种 Z-核酸传感蛋白，可以通过其蛋白结构中的 Zα1 和 Zα2 结构域与细胞，病毒等来源的 Z-RNA 以及 Z-DNA （左手双螺旋结构的 RNA 以及 DNA）特异性结合，在宿主防御肿瘤和病毒感染中的可能发挥着重要作用。
为了考察 ZBP1 的 Z-核酸传感功能是否在热应激中起到关键性作用，该团队构建了多种 Zα1 和 Zα2 结构域突变的基因工程细胞系，以达到破坏 ZBP1 蛋白 Z-核酸传感功能的目的。实验发现，在这些基因工程细胞系中，热应激下依然诱发了 ZBP1-RIPK3 相互作用、RIPK3 和 MLKL 磷酸化以及细胞死亡，这表明 Z-核酸传感功能对于热应激诱导的 ZBP1 激活是非必需的。
ZBP1 蛋白结构除了 N 端的 Zα1 和 Zα2 结构域，还含有 C 端结构域和 RHIM 结构域。最终，他们发现 RHIM 对于热应激诱导的 ZBP1-RIPK3 相互作用、RIPK3 和 MLKL 磷酸化以及细胞死亡是必需的。也就是说，热应激是通过 RHIM 结构域激活 ZBP1，与 Z-核酸传感结构域无关。
热应激促进 ZBP1 蛋白的聚集
为了考察热应激是如何通过 RHIM 结构域激活 ZBP1 的，吕奔教授团队在细胞中过表达了一种 GFP-ZBP1 蛋白，这种 ZBP1 蛋白上连有绿色荧光蛋白标签。研究发现，在热应激下，细胞中出现了绿色荧光散点，说明出现了 ZBP1 蛋白的聚集。此外，他们还验证了 ZBP1 蛋白的 Zα 结构域的突变或缺失不影响热应激下 ZBP1 蛋白的聚集。
ZBP1 蛋白的 RHIM 结构域包括 A 和 B 两个结构域，其通过实验发现，热应激通过 RHIM-A 介导 ZBP1 蛋白的聚集，并最终诱导了细胞死亡。
为热射病的治疗提供新的思路
传统观点认为，热射病可能主要源于单纯的物理性损伤，临床的干预手段目前主要包括降温和支持治疗，并不存在合适的特异性治疗药物。然而，该课题组发现高温会启动细胞的程序性死亡。由于细胞程序死亡过程中存在许多关键蛋白及其相关的分子，这些分子有望作为药物靶标以研发热射病的特异性治疗药物，从而为热射病的预后带来很大的改善。
吕奔教授表示，在这项研究的基础上，他们将继续寻找药物新靶点，并同时进行一些前期的药物筛选。“危急重症和慢性病不一样，它的短期费用非常高，不仅需要大量的医疗资源，也会给家庭和社会带来很大的经济负担。我们最终希望在挽救生命的同时，也能够带来经济效益。”
此外，对于担任此次论文一作的袁芳芳博士，吕奔评价称：“袁博士很快就博士后出站了，之后也将继续在这一领域奋斗，为国家的危重病事业贡献力量。我相信肯定没问题，她是非常努力的，成绩也很突出。”
值得注意的是，尽管吕奔教授担任数个要职，但他本人还很年轻，其生于 1983 年，目前担任中南大学湘雅医学院副院长。他是国家杰青，也是亚洲唯一一位美国休克学会组委会成员。
早年曾公派留学，对此他表示：“我当时考虑的原因很简单，我是公派留学生，最后肯定是要回报祖国的。当时国家希望培养复合型高层次人才，我在美国也获得了免疫学方向的博士学位。回到母校继续奋斗也感觉很开心。”
对于后续研究计划，他表示：“我们将继续进行危重症疾病方向的研究，同时也会和国内外的团队开展基础及临床研究合作，包括新药研发等等。”
-End-
支持：大义（港城大博士生）
1、Yuan, F., Cai, J., Wu, J., Tang, Y., Zhao, K., Liang, F., ... & Lu, B. (2022). Z-DNA binding protein 1 promotes heatstroke-induced cell death. Science, 376(6593), 609-615.
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