IRF1在受诱变应激下的转录激活调节放射辐射引发的细胞死亡和炎症反应之研究

背景介绍

近来，多组学研究揭示了结构细胞（structural cells）在免疫调节中的关键角色，但其机制尚未清晰。基于此，该研究主要探究了经受电离辐射、细胞毒性化学物质和SARS-CoV-2病毒感染时，干扰素调节因子1（IRF1）的转录激活如何决定结构细胞的命运，并且调控结构细胞与免疫细胞之间的通讯。

研究来源

此篇论文由Fenghao Geng、Jianhui Chen、Bin Song等作者联合完成，作者分别来自四川大学、苏州大学和成都医学院等研究机构，并将发表于2024年的《Cellular & Molecular Immunology》期刊。

研究目的

该研究旨在揭示IRF1在响应电离辐射后所带来的转录激活，并探究其如何导致细胞死亡和炎症反应。这涉及核定位信号区段的后转译修饰（posttranslational modification，PTM）以及单链DNA传感器SSBP1的相互调控等机制。

研究流程

实验流程

1. 样本选取与处理：作者对如大鼠、灵长类及人类等生物样本进行电离辐射暴露，通过免疫组化（IHC）检测不同时间点的IRF1蛋白水平。
2. RNA-seq与单细胞RNA-seq（scRNA-seq）：通过高通量测序，确定大鼠皮肤中不同细胞类型的IRF1表达。
3. 实验观察和分析：对不同细胞系采取电离辐射及其他刺激，研究IRF1的核转位及转录活性，包括Luciferase reporter assay、免疫共沉淀（Co-IP）等实验。
4. 质谱分析（MS）：对IRF1的后转译修饰进行质谱分析。
5. 基因敲除与突变体建模：利用IRF1基因敲除小鼠和IRF1突变体研究其活性分子机制。
6. ssbp1及cgas/Sting通路：分析mtdna泄漏及其对IRF1信号通路的影响。

主要实验结果

1. IRF1的表达变化：IHC结果显示，经 irradiation 后，IRF1表达上调，可在不同的皮肤样本（大鼠、灵长类等）中显现，并在scRNA-seq数据中确认其在不同细胞类型中的表达变化。
2. 核转位与转录活性：通过Luciferase 试验和免疫荧光染色可观察到IRF1在irradiation后快速进行核转位及转录活性的提高。
3. 后转译修饰的作用：质谱分析发现IRF1在核定位信号区段的磷酸化与乙酰化可显著调节其转录活性。
4. ssbp1的抑制作用：IRF1的转录活性受单链DNA结合蛋白SSBP1的显著抑制作用，促使其核转位。
5. 细胞命运的调控：IRF1经由核转位和后转译修饰影响皮肤细胞的增殖、迁移和衰老，特别是在高剂量辐射下，IRF1过表达显著增加了细胞的死亡率。
6. 辐射引起的炎症反应：IRF1的转录激活与皮肤组织中炎性细胞的浸润相关，IRF1基因敲除小鼠显示其皮肤辐射损伤显著减轻。
7. 药物干预实验：利用分子筛选与结构模拟，发现两种小分子抑制剂能够显著抑制IRF1的转录活性，在体内外实验中验证了其缓解辐射引发炎症及细胞死亡的效果。

主要结论

通过这项研究，揭示了在基因毒性应激下IRF1在结构细胞中的活化途径。研究发现，IRF1通过感知mtdna泄漏并启动cgas/Sting信号通路，进而引发炎症性细胞死亡及放射性皮肤损伤。这不仅为理解IRF1在辐射诱导的炎症反应中的作用提供了新的视角，还提出了IRF1作为潜在治疗靶点的可能性。

研究的意义和价值

- 该研究不仅推动了对结构细胞在免疫反应中角色的深入理解，还为开发新型治疗策略提供了理论基础。尤其在放射性皮肤损伤和感染性疾病（如COVID-19）方面，IRF1抑制剂显示出巨大的应用潜力。

研究亮点

• 核转位 & 后转译修饰的发现：本研究首次揭示了IRF1在核定位信号上的磷酸化和乙酰化修饰在辐射应激下的关键作用。
• ssbp1的作用：提出了一种新的结构细胞中IRF1抑制机制，表明ssbp1作为IRF1的阻遏蛋白，可显著影响IRF1的活性与细胞命运。
• 药物筛选及应用：通过分子模拟筛选，发现了两种新型小分子IRF1抑制剂，可有效防止辐射诱导的细胞死亡及皮肤炎症。

通过这些成果，研究不仅为辐射诱发的炎症性疾病提供了新的靶点和治疗方案，还开拓了对结构细胞在免疫调节及应激响应中作用的全新理解。