PLoS Pathogens | 蒋争凡课题组发现机体的锌稳态调控炎性小体活化
天然免疫对人体健康与稳态维持至关重要，炎性小体（inflammasome）是机体响应病原微生物感染及各种危险信号的枢纽，各种各样的炎性小体能够识别不同的病原而启动免疫反应。人体中的微量金属元素与免疫系统息息相关，之前的研究发现，锰离子（Mn2+）可作为免疫激动剂激活NLRP3炎性小体，但是炎性小体的过度激活会引发细胞因子风暴，诱导许多自身免疫病的发生，严重威胁人们的身体健康和生命安全。
锌是人体必需的微量元素，其含量在微量元素中排名第二，仅次于铁。锌离子（Zn2+）在细胞内的含量受到严格调控，SLC30A家族蛋白负责将Zn2+从细胞质运输到细胞器、从细胞内运输到细胞外；而SLC39A家族蛋白则负责将Zn2+从细胞器运输到细胞质、从细胞外运输到细胞内，这种动态平衡形成了机体的锌稳态。在过去的数十年中，已有大量研究表明，锌缺乏会使细胞更容易发生凋亡，但锌在细胞焦亡和炎性小体活化中的作用尚未见报道。
2024年12月17日，北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心蒋争凡实验室在PLoS Pathogens上以Research article的形式在线发表了题为“Zinc homeostasis regulates caspase activity and inflammasome activation”的研究论文，报道了机体的锌稳态可以通过调控Caspase-1活性影响炎性小体的活化及多种自身免疫病的发生和发展。
在本研究中，研究者通过全基因组CRISPR-Cas9筛选发现SLC30A1基因可能对细胞炎性小体的活化有重要作用（图1），该基因敲除细胞中NLRP3和NLRC4等多种炎性小体的激活受到明显抑制，并且可以通过回复该基因得到恢复（图2、图3）。SLC30A1是细胞向胞外运输Zn2+的关键转运蛋白，其缺失会使细胞内Zn2+的含量升高（图4），而Zn2+可通过抑制Caspase-1活性直接影响炎性小体的活化（图5）。此外，Zn2+还可以抑制由Caspase-4/5/11介导的非经典炎性小体的活化。在体内实验中，Zn2+展现出良好的抗炎效果，显著抑制腹腔注射LPS诱导的炎症反应，提升小鼠的存活率（图6），并对盲肠结扎穿孔（CLP）诱导的败血症、咪喹莫特（IMQ）诱导的银屑病和阿尔茨海默症等多种自身免疫病有着不同程度的治疗效果。
图1. 全基因组CRISPR-Cas9筛选。图2. THP-1细胞NLRP3炎性小体激活测试。图3. THP-1细胞NLRC4炎性小体激活测试。图4. ICP-MS检测THP-1细胞内锌含量。图5. Caspase-1蛋白体外酶活测试。图6. LPS诱导小鼠脓毒症的生存曲线。
综上所述，机体的锌稳态在天然免疫中扮演着重要角色，与许多自身免疫病密切相关。针对炎性小体过度活化所引发的疾病，通常使用IL-1β等炎症因子的单克隆抗体或相关受体的拮抗剂进行治疗，但炎性小体激活所释放的炎症因子多种多样，这使得单一抗体的治疗效果往往欠佳。锌离子作为一种广谱的炎性小体抑制剂，靶向炎症因子上游的Caspase-1（图7），能够显著抑制多种炎性小体的过度活化，且在一系列动物疾病模型实验中展现出了良好的疗效，这为临床上许多自身免疫病的治疗提供了新的策略和思路。
图7. 锌离子通过抑制Caspase-1活性调节炎性小体活化示意图
北大-清华生命科学联合中心2020级博士生宫啸为本文的第一作者，生命科学学院/北大-清华生命科学联合中心的蒋争凡教授为本文的通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点基础研究项目、北京大学“细胞增殖与分化”教育部重点实验室及“北大-清华生命科学联合中心”的资助。
北京大学生命科学学院 研究员
北大-清华生命科学联合中心PI
邮箱：
jiangzf@pku.edu.cn
实验室主页：
http://www.bio.pku.edu.cn/homes/Index/news_cont_jl/16/32.html
研究领域：感染-免疫-肿瘤
天然免疫赋予机体对病原及肿瘤细胞的抵抗力，是人类抵抗感染与肿瘤的第一道防线，并能进一步激活获得性免疫反应。天然免疫失调引起各种感染性疾病、自身免疫病和肿瘤。识别细胞内DNA的cGAS-STING通路对病原体及肿瘤的免疫监视及免疫治疗都至关重要。蒋争凡实验室是发现STING蛋白功能的三个实验室之一（命名为ERIS），并对其生理学功能及其调节进行了深入系统的研究。实验室利用多种技术对调控天然免疫的基因进行大规模、高通量筛选，并从细胞/分子生物学、免疫学、遗传学及生物化学角度研究这些基因在抗感染与抗肿瘤中的功能及作用机制，为疾病的预防和治疗提供理论依据。
