CellReports：武宁教授等揭示细胞膜脂搅乱酶TMEM16F参与细胞膜修复

来源：BioArt

真核细胞的细胞膜是由非对称分布的磷脂、胆固醇、鞘磷脂等脂类分子构成的双层脂膜。稳态情况下，细胞膜脂非对称的分布在细胞膜的内外层。例如，磷脂酰丝氨酸（PS）是细胞膜上最重要的带负电荷的磷脂分子，在稳态情况下主要分布在细胞膜内侧（～95%）。然而，在很多生理和病理过程中，细胞膜的非对称性会被打破，这个效应被称作细胞膜脂搅动（lipid scrambling）。Lipid scrambling由细胞膜脂搅乱酶（scramblase）介导。TMEM16F（ANO6）是一种Ca2+依赖的细胞膜脂搅乱酶，在Ca2+的活化下能够介导细胞膜内磷酸丝氨酸的外翻，改变细胞膜的非对称性。TMEM16F在进化中高度保守，从Nectria hematococca 到人，都含有相似的搅乱酶结构域。同时它还兼具离子通道的功能。人体缺失TMEM16F会出现凝血障碍症（Scott 综合症）；而小鼠缺失TMEM16F不仅凝血功能减弱，还会影响骨骼钙化，甚至存在胚胎致死等多种严重的发育缺陷。

然而，活细胞的细胞膜非对称性为什么需要改变？在非细胞凋亡的情况下，细胞膜脂非对称分布的改变，如PS外翻究竟对细胞意味着什么？这些细胞生物学基本问题并没有一个确切的答案。

2020年1月28日，华中科技大学同济医学院武宁课题组在Cell Reports杂志上发表了题为 Critical role of lipid scramblase TMEM16F in repair of plasma membrane after pore formation 的研究论文，发现TMEM16F的全新功能-介导细胞膜修复来抵抗细胞膜损伤导致的细胞死亡。该研究提示PS外翻可能只是细胞膜受到损伤后的一个“原始”反应，TMEM16F活化后改变细胞膜脂非对称分布，影响细胞膜脂流动性，从而让细胞能够顺利进行细胞膜修复。该研究也为细胞膜作为“固有免疫”细胞器，保护细胞免受损伤，提供了有力证据。

考虑到免疫细胞往往与病原微生物（包括病毒、细菌、真菌等）直接接触，而细菌毒素、病毒感染往往直接对细胞膜造成损伤，该研究以免疫细胞为出发点，在体外利用细菌穿孔毒素Listeriolysin O （LLO）、Streptolysin O (SLO)、补体（complement）、去污剂（saponin）等损伤细胞模，发现穿孔剂可诱导细胞膜PS外翻，并通过Ca2+内流起始细胞膜修复。缺失TMEM16F的细胞，在穿孔试剂处理下无法外翻PS，无法进行细胞膜修复，直接死亡。利用显微成像进一步发现TMEM16F通过调控质膜出泡和胞外囊泡释放来修复细胞膜，减少孔洞形成，进而抵抗穿孔剂诱导的细胞死亡。在体内利用李斯特菌感染野生型和TMEM16F敲除的小鼠，发现敲除小鼠更易受到感染，肝脏损伤更为严重。机制研究发现TMEM16F敲除小鼠的中性粒细胞（对早期李斯特菌感染起重要杀伤作用）对LLO的损伤更为敏感。

总的来说，该研究发现了TMEM16F参与细胞膜修复的全新功能：当穿孔素蛋白LLO与细胞膜表面分子结合后插入细胞膜内，形成直径为20nm的孔洞；此时细胞外大量的Ca2+内流，跨膜蛋白TMEM16F被活化，使得原本分布在胞内的磷酸丝氨酸外翻到胞外；受损的细胞膜形成微粒体从膜上脱落，细胞膜修复完成。而当TMEM16F缺失时，细胞膜的修复功能减弱致使大量细胞内容物的流出，细胞坏死（下图）。

TMEM16F介导细胞膜的修复来抵抗穿孔剂LLO诱导的细胞死亡模式图

一直以来关于TMEM16F的研究大多集中于该分子的结构，注重于解释为何此分子能够翻转PS。众所周知凋亡的细胞通过PS的外翻作为“eat me”信号，进而被巨噬细胞识别、吞噬和清除，维持内环境的平衡稳定。然而，这种Caspase 活化的PS外翻则不依赖于TMEM16F，是通过另一个细胞膜脂搅乱酶XKR8来实现。该研究提示TMEM16F介导的PS外翻可能作为“repair me”信号，参与细胞膜损伤修复，但具体的调控机制还有待深入研究。

原文链接：

https://doi.org/10/1016/j.celrep.2019.12.066