邵峰：细胞焦亡、炎症和肿瘤免疫

我的研究工作，关于细胞焦亡的一个发现。

我们在座很多并不是做生命科学的，所以简单介绍一下，我们研究的是一个细胞，这是一个圆的细胞，细胞核里有遗传物质DNA，基因就在这儿，基因最后体现生命活动要通过一个程序我们叫“中心法则”，也可以叫表达形成蛋白质，蛋白质有三维结构，每个蛋白质的大小结构不一样。人的细胞有22000个基因，就会变成22000个不同的蛋白质。

在不同的细胞里，比如肌肉细胞、免疫细胞等等，它们会以动态方式表达不同系列的基因，不同的细胞就有了不同的功能，为什么肌肉细胞可以干这个，免疫细胞可以清除感染。因为他们在22000个基因中选择性的表达了一系列的基因，表达出来的分子就是蛋白质，由它来体现我们的复杂多样也很美的生命活动。

我们的生命活动一个重要的组成部分就是免疫反应，尤其是新冠以后大家对免疫学更为关注了。在免疫学里，基本可以分为两类免疫系统，一类就是大家都听说过的所谓产生抗体，比如打了疫苗，有没有中和抗体，这些抗体是针对新冠病毒的，是有特异性、有记忆性的。除了抗体之外还有一类细胞，比如你的肺细胞被感染出了，会呈递出抗原，会有免疫系统杀伤性T细胞把它杀死。这套系统叫获得性免疫系统，它针对某个病原产生特异性的抗体，或者产生可以杀别的细胞的特异性的T细胞。

还有一类免疫系统叫天然免疫系统，是机体的第一道防线，打个比方，当有了感染之后，产生抗体之前，在获得性免疫系统发挥功能之前，你会发炎、发烧、发热，天然免疫系统就是让机体在第一时间、第一地点控制病原感染，同时帮助活化获得性免疫系统，天然免疫系统没有记忆型，它产生炎症反应，也没有特异性，可能感染不同的病毒，普通病毒感染有可能会跟新冠病毒导致同样的发烧症状。

免疫系统最重要的任务是应对病原，就是非我，不是自己的东西。免疫系统还有一个重要的功能针对机体发生的异常，叫异我，比如说肿瘤，现在肿瘤免疫治疗很火，理论上当机体发生异常之后，免疫系统也会有反应。

我们实验室2007年开始关注天然免疫系统，理解天然免疫系统最重要的科学工作是发现在天然免疫系统中作为侦探一类的分子，就是所谓的免疫受体分子，相当于广场上的哨兵一样，要去看到底有没有坏人来，有坏人来了，就识别出来，纠出来。

这个领域里最高级别的工作就是发现天然免疫识别的受体分子。有三位科学家在这方面的工作获得了诺贝尔奖，2011年的时候，法国的Jules A.Hoffmann和美国的Bruce A.Beutler发现了第一个识别细菌的天然免疫受体，也就是像侦探一样的分子，叫做Toll或Toll样受体。和他们一起获奖的是洛克菲勒大学的Ralph M. Steinman教授，他发现了对于天然免疫识别病原最重要的，含有这些免疫受体分子的一类细胞，叫做树突状细胞。

这位科学家是诺贝尔奖史上唯一以去世身份获奖的科学家，在发奖前两天他得了癌症去世了，但是学校秘不发丧，要不然瑞典人知道了电话就不会打过来了，因为诺贝尔奖有严格的规定不发给去世的人。

前两位科学家发现了第一个侦探样的免疫受体分子，可以识别病原的分子。他们发现的是什么呢？叫TLR4，Toll样受体4，这个分子干什么呢？我们知道有细菌感染，细菌有细胞壁，细胞壁有一个最重要的成份，分子叫内毒素或脂多糖，英文叫LPS，这是细胞壁的结构成份，一种化学分子。Toll样受体识别了它，机体细胞就知道有细菌感染了。因为人体是没有这样的分子的，只有细菌才有。这个分子就会去通过一个程序告诉细胞核里的基因，让这些基因翻译出来，表达出一系列的促炎症的抗感染的蛋白分子。

后来人们发现了很多类似的Toll样受体分子，因为“坏人”有很多种，所以免疫系统需要有不同的哨兵去识别不同的病原信号。这十几个分子有一个共性他们都定位在细胞膜上，这就带来了一个问题，如果这个病原菌从外面来的，在我们的细胞外部感染我们的细胞，这些Toll样受体就可以捕获他们，就相当于你家有个院子，院子外面有一个看门的，坏人来了在外面就可以看见。可是在细菌感染领域里还有一类病原细菌，比如结核杆菌、痢疾杆菌，它会钻到细胞里面去，也就相当于坏人直接从院墙跳到院子里面去，Toll样受体分子还在外面看门，是不是就没有用了。当时我们觉得这是一个空白领域，我们希望进入这个领域来，看看是否能够鉴定出一系列在细胞里面负责识别这些细菌的免疫受体分子，扮演哨兵一样的角色。这是我们当时想回答的科学问题。

下面给大家看一个非常酷的视频，记录了病原细菌钻到细胞里面后，细胞到底会发生什么变化。我们用这些细菌去感染哺乳动物的巨噬细胞，这类细菌会钻到细胞里面去。我们在感染的时候加一点DNA染料。正常情况下这个染料不能进入健康的活细胞，因为细胞膜有严格的过滤系统，不是什么分子想进就能进的。感染之后会发生什么呢？大家可以看到，被感染的细胞变红了，细胞核里都红得发亮了。这个实验清楚地表明，被细菌感染的细胞，它的细胞膜发生了通透，细胞膜破了，所以染料才进去了。也就是说，被感染的细胞发生了快速裂解性死亡，这就是我今天给大家介绍的细胞焦亡。

焦亡的细胞可以让外面物质进去，细胞里面的物质当然也可以出来了。这种细胞裂解性死亡最早于1986年在被细菌毒素处理的巨噬细胞中被观察到，但长期以来人们对这个现象一直有两个误解。第一个误解是人们想当然的认为这是细菌想把我们的细胞杀死。这个理解是错误的。很长时间之后人们才意识到这个理解错误。事实上，不是细菌想把我们杀死，而恰恰相反是我们的一种免疫防御反应，我们的细胞在检测到有细菌感染之后，主动发生这样的细胞死亡，促进炎症反应，通知免疫系统这儿出问题了，机体需要应对细菌感染。

第二个误解是后来1998年左右的时候人们发现这种细胞死亡需要一个蛋白分子，叫caspase-1，它是一个蛋白酶。如果我们的细胞里面没有caspase-1这个基因表达出来的蛋白分子，这样的细胞焦亡就不能发生，caspase-1对细胞焦亡的发生是至关重要的。也是因为这样一个原因，人们很长（时间）把这种细胞死亡认为是传统的细胞凋亡。

caspase家族有十几个成员，可以简单想象caspase就是一把剪刀，平时剪刀没有张开，不能剪东西，只有活化之后，也就是受到上游某个信号的刺激，比如对于caspase-1，如果细胞被细菌感染了，这把剪刀就会张开，就会剪切别的蛋白分子。

整个caspase家族有十几个类似的分子，它们对剪切对象有一定选择性。早在1993年的时候，人们发现这个家族中的caspase-9控制了另外一种细胞程序性死亡，叫做细胞凋亡。这个发现使得MIT的H.Robert Horvitz教授在2002或得了诺贝尔生理与医学奖，caspase-9是细胞凋亡里发现的第一个蛋白分子，具有开创性的意义。那么细胞凋亡到底是什么意思？蝌蚪变青蛙，尾巴没了，那些细胞是不是要死掉。胎儿还没出生，刚刚开始发育，有蹼的结构。后来婴儿出生了，中间这些细胞就没了，那些细胞要死掉。这两种情况都是正常的生理发育过程。这个过程中需要这样的caspase-9这样的分子来实现凋亡。所以人们想当然的认为整个caspase家族包括在细菌感染之后发挥作用的caspase-1也是控制细胞凋亡的，十几年人们一直有这个误解。

从这个背景可以看到，传统的细胞凋亡更多是介导了动物正常发育过程当中的（细胞清除）。下面的视频可以清楚看到传统的凋亡到底和今天要介绍的焦亡有什么差别。

圆球都是一个个细胞，左边让细胞发生凋亡，凋亡时细胞会皱缩，裂成一个个小泡，就像一串葡萄。最重要的是它的细胞膜仍然维持致密性，不仅细胞膜要维持致密性，还有一个信号分子会出来让巨噬细胞立刻把它清除掉。巨噬细胞就是人体的清道夫，所有不正常的东西就打扫垃圾清除掉。

当凋亡发生之后，会有一个信号出来，在膜上翻出一个信号，让巨噬细胞把它清掉。凋亡为什么正常发育过程中起作用？因为它不会诱发炎症免疫反应，是一种比较干净的细胞死亡方式。打一个简单的可能不太恰当的比方，相当于这个人活到90多岁，第二天早上没醒来，该结束了，大家也不觉得意外，对家人也没有产生太大影响。右边就是这个细胞会发生焦亡，这儿没有加DNA染料，所以它不会变红。但是仔细看它的形态变化，它的形态变化会微微涨大，就好像小孩吹气球，吹到最后膜破了。细胞里面的东西会泄露出来，有一点医学背景的人知道细胞质里面的东西泄露出来，会导致很强的炎症免疫反应，相对来说它是一种比较“脏”的细胞死亡。更多来说焦亡是应对病理性的条件，比如细菌感染的时候，比如病毒感染的时候，比如机体发生异常的时候。（图）左边的凋亡是蝌蚪变青蛙，尾巴细胞没有了是很正常的，无声无息的过程。

在右边的焦亡里需要caspase-1这个分子。我们实验室几年前一个工作发现另外一个和caspase-1比较像的caspase分子，在小鼠里叫caspase-11，在人体对应caspase-4和caspase-5。它也可以识别LPS，也就是细菌的内毒素，之前得诺贝尔奖的工作是发现了TLR4这个分子，那个分子是在膜上，在院子外看门，如果LPS像细菌钻到里面去之后，里面也有一个识别内毒素的分子就是caspase-11，这个识别之后发生一个聚集，剪刀张开，张开的结果它就活化了，细胞也会发生焦亡的现象。这个工作就说明我们不仅仅有膜上的识别细菌最主要的LPS的免疫受体分子，在细胞质里也有另外一个分子，当然这也是他们前年给我奖的一半原因，这个分子也识别内毒素，只不过它的下游是让细胞发生焦亡。这个分子和caspase-1一样，也在caspase家族里，所以我们有两个caspase可以让细胞发生焦亡。机制是什么呢？caspase-1和caspase-11是如何让细胞发生焦亡的，这是下面要回答的问题。

大家听说过基因编辑技术， 这个技术2013年时候出来之后，我们意识到可以用这个强大的技术来回答细胞焦亡如何发生这个问题。所以我们做了全基因组的筛选，人有22000个基因，我们把每一个，一个一个拿掉，看拿掉哪个基因这个细胞就不能发生焦亡了，如果不能发生焦亡，就说明那个基因对焦亡很重要。所以我们针对caspase-1和caspase-11都做了全基因组的筛选，由两位博士生完成的，赵越和石建金，当时我们并不太知道这两个caspase的分子下游是不是同一条通路，还是不同的通路。非常有意思的是，他们俩都找到了同一个基因，可能也是目前为止我最重要的科学发现，也就是这个分子Gasdermin D，也叫GSDMD。也就是说无论对caspase-1还是caspase-11这两把剪刀都需要这个分子，刚才展示的细胞焦亡才能发生，没有GSDMD就不能发生。我们本来以为这两个学生分别针对这两把剪刀做筛选，也许可以发现两个通路，两个重要基因，发两篇重磅级的文章，最后发现只有一个基因，也就只能发表一篇重磅级的文章，作者的安排就成了一个问题，谁也不愿意把自己的名字放在第二位，好在他们在这个过程中，碰出了火花，所以就解决了我作为导师、实验室负责人的难题，现在他们在旧金山过着幸福生活，已经有了两个孩子。

GSDMD就像一个总开关一样，无论是哪把剪刀都需要它，那么这个基因到底怎么控制细胞焦亡的呢？基因编码蛋白质，蛋白质有三维结构，这个蛋白质从三维上来说分成两部分，这儿用不同颜色标注，这个状态下这个蛋白质没有活性，这两把剪刀可以把GSDMD这个分子从中间剪开，蓝色部分碰到细胞膜后会发生非常奇妙的变化。今天的主题是科学邂逅艺术，要美，所以你可以看到这儿的科学也很美妙，GSDMD中蓝色这部分它会变，它的三维结构会变。变完之后会插到膜上，形成一个一个孔洞。一个单个的孔洞是这样的。这个单个孔洞是如何形成的呢？二十几个这样的分子手拉手围一圈，然后插到细胞膜里面。后来吴皓教授他们做了这个pore的更漂亮的原子分辨率的结构，现在转到下面这部分，就会插到膜里面去，每个这样的孔洞，大概有27-28个蓝色的那部分组成。这个动画展示的生物分子的变化其实还是很美的。细胞膜上有很多这样的洞之后，相当于细胞膜千疮百孔，渗透压就会变化，水就会进去，这个细胞就涨大，最后涨破了。所以这样Gasdermin D分子的发现彻底解释了什么是细胞焦亡。

我们刚才讲的Gasdermin D这个分子还有类似的分子，人体有5个这样的基因，除了D之外还有A，B，C，和E，它们也和很多疾病相关，它们就好比一个个小炸弹，平时这个小炸弹没有被点燃，也就不能到细胞膜上打洞。不同的小炸弹以不同的方式被点燃，也就是说不同的gasdermin家族成员蛋白是以不同的方式被活化的，Gasdermin D是被那两把剪刀剪开的，而其他的Gasdermin分子也许是被别的剪刀剪开的，这也是我们过去几年在研究的一个事情。非常神奇的是这样一个分子在非常低等的生物，比如水螅、珊瑚里都存在，珊瑚有白化的现象，我们觉得也许跟这类基因是有关系的，当然这只是一个假说。所以细胞焦亡非常广泛存在，不仅仅是刚才找到的GSDMD那个分子，还有一系列的兄弟姐妹都干这个事儿，只是它们接受的指令不一样，在不同背景下被活化，也许不是细菌感染，也许是肿瘤发生的时候免疫系统被刺激了。焦亡的核心特征就是这个家族的Gasdermin打孔蛋白的参与和活化。

焦亡是天然免疫系统的一个重要组成部分，有免疫受体之后，检测到坏人来了，然后通过剪刀把Gasdermin分子活化，细胞发生促炎性反应。本来这个是好事，比如如果肺部、肠道有一点局部感染，通过这样的焦亡，是警示免疫系统，通知免疫系统，因为它可以释放一些物质出来。但是当焦亡过度或者失控的时候就会和很多炎症、疾病相关。因为免疫和炎症永远是双刃剑，就像你发烧一样，发烧本来是好事儿，是控制感染的，如果烧40度烧一两个星期人也是受不了，过度焦亡也会带来副作用，细胞焦亡和疾病治疗有密切关系。

举两个例子，脓毒症或败血症，当你有细菌感染，如果只有肠道感染拉肚子或者发烧，如果很多细菌跑到你的循环系统，血液里到处都是，这个焦亡就会到处都发生，就会产生脓毒症败血症，最终导致多器官功能紊乱休克。每年死亡人数非常多，现在是完全没有药的，死亡的人数每天全世界有14000人，超过乳腺癌、结肠癌、艾滋病的总和，现在还没有特效药，在ICU里最少1/3的人死于脓毒症。

我们在小鼠里可以做脓毒症模型，给小鼠感染大量细菌，或者说直接注射内毒素细菌里面最重要的分子LPS，它会被caspase-11识别，这把剪刀打开以后，切了Gasdermin D，细胞发生焦亡。正常的小鼠在有败血症发生的时候一天就死了，但是把这两个基因(caspase-11或GSDMD)的任何一个基因从小鼠里面拿掉，小鼠就可以活下来。这个工作说明，全身性的焦亡其实是脓毒症、败血症的关键机制，这个分子现在也是工业界，药物研发界很受关注的分子。美国一些初创公司在针对这个分子寻找抑制剂，有了好的抑制剂药物也许至少可以让脓毒症的病人活下来。

第二个例子，我们设计了一个化学方式可以诱导肿瘤细胞发生焦亡，我们在小鼠里做一个乳腺癌的模型，利用人为的办法让肿瘤细胞发生焦亡，这里我们做了三轮诱导焦亡。结果是这个肿瘤几乎完全消失了。如果把同样的实验放到没有T细胞，没有获得性免疫系统的小鼠里面，这个肿瘤就不会消失。没有T细胞，即便同样诱导焦亡，肿瘤也不能消失。这其中的原因是少部分的肿瘤细胞发生焦亡触发了炎症反应，而天然免疫系统是我们的获得性免疫系统能够清除T细胞、产生抗体的前提。所以这种一点点的细胞焦亡触发了炎症反映，活化了T细胞介导的抗肿瘤免疫反应。当然这个实验是做了三轮的诱导焦亡，这儿用不同的颜色标示，如果我们在这个小鼠模型里只做一轮诱导焦亡，是起不到清除肿瘤的效果的。现在癌症的治疗已经进入到免疫治疗的时代，大家或多或少听说PD1抗体免疫治疗，这样的抗体对于我们这个小鼠的乳腺癌模型是没有效果的，临床上也一样，只有少部分病人对免疫治疗有反应，这个做肿瘤免疫的都知道。发现免疫治疗的两位科学家James Allison和Tasuku Honjo教授2018年得了诺贝尔奖。虽然免疫治疗是人类第一次实现了对肿瘤的治疗愈（不再仅是缓解）。但现在的免疫治疗最大的问题是只有10%到20%的病人是有反应、有效的，绝大部分病人是无效的。在小鼠的模型里也是一样，4T1这个乳腺癌的模型对PD1的治疗也没有效果，临床上医生管这种模型叫“冷”肿瘤。对免疫治疗不反映，很冷。但是，如果做了一轮焦亡治疗之后，再给小鼠打PD1抗体做免疫治疗，可以看到效果非常好，最后肿瘤几乎完全消失了，也就是说肿瘤细胞的焦亡可以把“冷”肿瘤变成“热”肿瘤，使得它对免疫治疗能够有反应。

我用这张PPT总结一下，我们是研究细菌的免疫反应时发现或者说再发现了细胞焦亡现象，还发现了caspase-11这个是在细胞质里能够识别细菌内毒素分子的天然免疫受体，它的下游是让细胞发生焦亡，机体产生抗感染的炎症反应，当然过度就会导致脓毒症败血症。我们通过基因编辑的技术找到了caspase-1和-11两把剪刀下游的Gasdermin D蛋白，具有膜打孔活性，广泛执行细胞焦亡。更有意思的它是家族蛋白，还有A、B、C、E。我们还有一些工作我没有时间讲，我们发现Gasdermin B，在肿瘤免疫里面也发挥重要作用。

还有一个现象很有意思，如果可能的话，肿瘤细胞往往有可能会把gasdermin这些基因扔掉(沉默掉)，让它不表达，可能是因为癌细胞不想死。如果我们人为在肿瘤细胞里诱导焦亡，可以刺激一个很强的抗肿瘤免疫反应。所以我们这个工作最后得到一个概念性的结论，细胞焦亡是机体炎症反应的重要组成部分。因为我们以前认为炎症反映就是分泌一些白介素这样的细胞因子，其实焦亡也是机体炎症反应的重要组成部分，在很多炎症相关疾病或疾病治疗中发挥重要作用。其他的例子没有时间讲了。

我就讲到这儿，谢谢大家！

(本文选编自2021年5月20日“未来科学论坛”，邵峰为北京生命科学研究所资深研究员、中国科学院院士、2019未来科学大奖生命科学奖获奖者 。）