王迪課題組《Science Immunology》封面論文揭示杯狀細胞GSDMD調控粘液分泌塑造腸道免疫穩態的新功能

腸道組織是體內重要的“免疫-代謝-菌群”交互調控器官，其穩態的維持對于腸道生理功能的發揮并抵抗病原微生物的侵入至關重要。腸道上皮細胞中的杯狀細胞（goblet cell）通過分泌粘液蛋白（mucin）形成貼附在上皮層面上的粘液層（mucus layer）進而隔離并控制腸道微生物的定殖和侵入，在腸道免疫中發揮關鍵性作用。然而目前對于腸道杯狀細胞如何分泌粘液蛋白并維持粘液層的形成及其關鍵控制分子仍不明確。

Gasdermin-D（GSDMD）是近些年發現的一種介導細胞裂解性死亡的成孔蛋白，能夠在不同病理條件下介導細胞焦亡并促進炎癥反應。在這方面研究中，中國學者做出了一系列重要的開創性工作。值得注意的是，GSDMD是否在非免疫細胞中存在著獨立于焦亡和炎癥的其他功能也成為領域內重要的科學問題并引起大家的關注。

2022年2月4日，浙江大學基礎醫學院王迪課題組在Science Immunology以封面文章的形式發表了題為Epithelial Gasdermin D shapes the host-microbial interface by driving mucus layer formation的研究論文。

該研究發現GSDMD在穩態情況下對于腸道杯狀細胞分泌粘蛋白并形成粘液層從而維持腸道免疫穩態具有重要的調控作用。在腸道上皮細胞中特異性敲除GSDMD會導致小鼠在生理情況下缺失腸道粘液層并導致腸道微生物對上皮屏障的物理性貼附，而基因敲除小鼠對腸道病原菌感染也表現出更強的易感性。該現象的分子機制在于杯狀細胞中活化的GSDMD會通過Ca²⁺-Scinderin依賴的細胞骨架重塑介導粘液囊泡外排（mucin granule exocytosis）。該研究揭示了GSDMD蛋白以非焦亡方式（non-pyroptotic）參與介導腸道杯狀細胞分泌型囊泡的外排，塑造腸道屏障穩態的重要生理作用。

研究人員首先檢測并發現GSDMD在小鼠大腸組織的上皮細胞中有明顯的表達以及活化切割，并證實該上皮細胞中GSDMD的活化依賴于NLRP6炎癥小體。

GSDMD在腸道上皮細胞中生理性表達及活化的意義是什么？為了回答這個問題，研究人員構建了腸道上皮細胞GSDMD特異性敲除小鼠（Gsdmd^ΔIEC），通過組織學染色、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）等手段，驚奇地發現Gsdmd^ΔIEC小鼠大腸中的粘液層幾乎消失，同時有大量囊泡狀的“凸起物”出現在腸道上皮表面，TEM結果提示這些“凸起物”是由多個單獨包裹的囊泡組成并存在于杯狀細胞中。Gsdmd^ΔIEC小鼠中有大量腸道共生菌直接貼附到腸道上皮表面。同時通過檸檬酸桿菌（Citrobacter rodentium）定植實驗發現Gsdmd^ΔIEC小鼠表現出更嚴重的細菌感染情況以及更差的細菌排空效果。這些結果表明上皮細胞中的GSDMD對于維持腸道杯狀細胞分泌粘蛋白并形成粘液層，從而分隔腸道上皮與腸道菌群，抵御外來感染發揮關鍵的作用。

研究人員為了更好地模擬體內的環境，同時方便檢測腸道受不同信號刺激后粘液層的變化，基于3D打印技術構建了一套腸道體外活體培養及檢測體系，同時結合透明化成像技術對腸道粘液層實現了動態可視化觀察。通過對離體腸道給予多種已知或潛在的細菌來源的刺激物處理，發現革蘭氏陰性菌來源的LPS或腸道共生菌-脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）能夠有效的刺激腸道粘液層的形成。同時通過LDH釋放和PI 體內注射等一系列實驗發現GSDMD活化并刺激粘液分泌的過程并不伴隨著細胞死亡。這些結果表明生理情況下腸道共生菌能夠提供杯狀細胞中GSDMD活化的信號，同時活化的GSDMD以非焦亡依賴的方式促進杯狀細胞分泌粘液，從而維持正常的腸道屏障穩態。

機制上，研究人員通過小鼠腸道蛋白質組分析等手段，發現Gsdmd^ΔIEC小鼠大腸中的肌切蛋白（Scinderin）蛋白下調最明顯，并且GO分析表明分泌型囊泡外排通路受到明顯抑制。Scinderin是一種細胞骨架調控蛋白，在維持細胞囊泡運輸（如神經遞質的分泌）中具有重要的作用，同時Scinderin在細胞內發揮作用依賴于Ca²⁺的濃度。研究人員通過一系列實驗最終證實GSDMD通過Ca²⁺-Scinderin依賴的細胞骨架重塑促進粘液囊泡外排。

浙江大學基礎醫學院王迪教授為該論文的通訊作者，浙江大學基礎醫學院博士生章健為該論文的第一作者。本研究也得到了浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室賀永教授的支持。同時感謝浙江大學冷凍電鏡中心和浙江大學醫學院公共技術平臺的支持。