上海有機所交叉中心揭示壞死細胞終末階段的蛋白切割機制和生理意義
2026年4月7日，中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心主任袁鈞瑛院士團隊在Vita期刊在線發(fā)表了題為Distinct necrotic protein cleavages define terminal events in necrosis?的研究論文。該研究在單細胞水平對細胞死亡機制進行了研究，意外發(fā)現(xiàn)即使在相同的促細胞死亡條件下，細胞仍可能選擇進入凋亡或壞死兩種不同的死亡路徑，從而將細胞死亡調(diào)控的認識提升至單細胞水平。該工作進一步系統(tǒng)探討了細胞壞死的執(zhí)行機制，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)認知中的細胞壞死執(zhí)行機制并不足以完成細胞死亡，而壞死的終末階段依賴胞外蛋白酶的介入，這些蛋白酶介導的大規(guī)模且具有特異性的蛋白水解，使壞死細胞中出現(xiàn)類似于凋亡過程中由caspase介導的蛋白切割事件，并在促進壞死細胞清除及抑制自身免疫反應中發(fā)揮關鍵作用。基于上述發(fā)現(xiàn)，研究團隊進一步開發(fā)了可特異性識別壞死相關蛋白切割產(chǎn)物的單克隆抗體，為在病理樣本中精準識別和研究壞死細胞提供了全新的分子工具。
壞死細胞膜破裂觸發(fā)胞外蛋白酶介導的特異性蛋白切割
過去對壞死性細胞死亡的研究，主要聚焦于膜破裂后釋放出的損傷相關分子模式（DAMPs）、炎癥因子和趨化因子對組織微環(huán)境及免疫系統(tǒng)的影響，而較少關注膜破裂之后，組織液或血液中的物質(zhì)是否會反向進入死亡細胞，并繼續(xù)參與調(diào)控其終末命運。
針對這一問題，研究團隊發(fā)現(xiàn)，在多種壞死性細胞死亡（包括程序性壞死，鐵死亡和細胞焦亡）中普遍存在一個共同現(xiàn)象：細胞膜破裂后，原本存在于組織液、血液或細胞外環(huán)境中的蛋白酶可進入細胞內(nèi)部，進而誘導一系列壞死特異性的蛋白切割事件。通過新生N端標記蛋白質(zhì)質(zhì)譜（neo-N-terminomic）分析，研究人員系統(tǒng)繪制了壞死細胞的切割位點圖譜。結果顯示，這些切割主要發(fā)生在精氨酸（Arg）和賴氨酸（Lys）殘基的碳端，呈現(xiàn)出明顯不同于凋亡中caspase切割的位點偏好。
這些切割事件廣泛分布于多個細胞區(qū)室，包括細胞核、細胞膜、細胞質(zhì)、高爾基體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等。盡管不同細胞系、不同壞死方式以及不同組織樣本間存在一定的異質(zhì)性，但該研究仍鑒定到一系列在多種條件下保守存在的底物及切割位點。這表明，壞死性蛋白切割并非膜破裂后的隨機性降解，而是具有底物偏好和位點選擇性的分子事件，提示其可能承擔特定的生理功能。
圖1. 胞外蛋白酶主要識別并切割精氨酸（Arg）和賴氨酸（Lys）殘基
壞死性蛋白切割調(diào)控壞死細胞清除與免疫原性
細胞凋亡的發(fā)生由caspase家族主導，其特點是細胞膜保持完整，內(nèi)容物不泄露。凋亡細胞中caspase的激活不僅執(zhí)行了細胞死亡，同時通過調(diào)節(jié)磷脂酰絲氨酸（PS）外翻、膜出泡和凋亡小體形成、基因組DNA降解等過程，保證了凋亡細胞的清除與降解。而壞死則以細胞膜完整性喪失為特征，但目前我們?nèi)圆磺宄乃兰毎唧w是如何實現(xiàn)細胞清除的。
該研究發(fā)現(xiàn)，使用亮肽素抑制壞死蛋白切割可顯著抑制程序性壞死、鐵死亡和細胞焦亡過程中細胞基因組DNA的降解。進一步的體外吞噬實驗和體內(nèi)腹腔注射實驗表明，當壞死性蛋白切割被抑制后，吞噬細胞對壞死細胞，尤其是對核碎片的清除效率明顯下降。更重要的是，這種清除障礙并非單純影響殘骸處理，而會進一步誘發(fā)病理后果，使受試小鼠出現(xiàn)針對自身蛋白的抗體升高以及脾腫大等自身免疫相關表型。
這些結果表明，膜破裂后由胞外蛋白酶介導的壞死性切割，并不是壞死后的伴隨現(xiàn)象，而是機體高效、安全清除壞死細胞殘骸的重要機制。該研究因此將壞死終末階段從傳統(tǒng)意義上的“被動瓦解”，推進為一個具有明確功能意義的主動清理過程。
圖2. 胞外蛋白酶進入壞死細胞后促進DNA降解與清除，并避免自身免疫反應
單細胞視角揭示細胞死亡方式的異質(zhì)性與研究新范式
傳統(tǒng)細胞死亡研究多基于群體水平分析，即通過整體樣本的分子變化來定義某一刺激誘導的死亡方式。然而，這種策略容易掩蓋單細胞層面的命運異質(zhì)性。
該研究團隊利用改進的超高分辨率三維光學衍射斷層掃描（super resolution optical diffraction tomography, ODT）技術，在單細胞尺度上動態(tài)觀察細胞死亡進程。研究人員在細胞焦亡模型中發(fā)現(xiàn)，即便是在同一刺激條件下，細胞群體內(nèi)部也并非沿單一路徑死亡：一部分細胞表現(xiàn)出經(jīng)典凋亡樣形態(tài)，另一部分則表現(xiàn)出GSDMD介導的膜破裂壞死樣死亡。與之對應，在分子層面，研究團隊同時檢測到caspase介導的凋亡性蛋白切割和胞外蛋白酶介導的壞死性蛋白切割。所以，細胞焦亡是由細胞凋亡和細胞壞死來共同執(zhí)行的死亡形式。
進一步利用識別壞死切割新生末端的抗體ABHD16A-C進行分析，研究人員在LPS/Nigericin誘導的細胞焦亡中觀察到至少三類細胞：一類為caspase-3不激活但ABHD16A-C陽性的細胞，代表GSDMD介導的壞死樣細胞；一類為caspase-3激活但ABHD16A-C陰性的細胞，代表凋亡細胞；還有一類同時具有兩類標志，代表凋亡后的繼發(fā)性壞死細胞。該結果說明，即使在單一刺激下，不同細胞也可能進入不同死亡軌道，而群體平均信號往往會將這些本質(zhì)不同的過程混合在一起。
這一發(fā)現(xiàn)提示，在研究復雜生理和病理條件下的細胞死亡時，不能僅憑群體水平的總體效應簡單定義死亡類型，而需要結合單細胞動態(tài)觀察和終末標志物識別，重新理解細胞死亡的異質(zhì)性與層級性。因此，該研究不僅揭示了壞死終末階段的新機制，也為細胞死亡研究提供了從“群體分類”走向“單細胞命運解析”的新范式。
圖3. LPS/Nigericin誘導的細胞焦亡中，單細胞層面呈現(xiàn)凋亡與壞死兩種死亡方式
論文的通訊作者是中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心主任袁鈞瑛院士和單冰副研究員。第一作者是中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心李甘泉博士。中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心張耀陽研究員給N端標記蛋白質(zhì)譜分析提供了寶貴建議，北京大學施可彬團隊對超分辨率ODT顯微成像技術的使用和數(shù)據(jù)分析提供了寶貴幫助，北京大學陳良怡研究員對超分辨率SIM顯微成像技術的使用提供了寶貴幫助，上海交通大學醫(yī)學院附屬仁濟醫(yī)院李佩盈研究員提供了寶貴的病人樣本。該工作受到了國家自然科學基金、中國科學院先導專項和上海市科委的大力資助。
原文鏈接：https://www.vita-journal.com/vita/EN/10.15302/vita.2026.04.0023
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