Induction of TNF Receptor I-Mediated Apoptosis via Two Sequential Signaling Complexes

Cell. 114, 181-190

碩二  張綱凡

Tumor necrosis factor (TNF) 是一個非常多效性的生物激素 (cytokine)。它在免疫系統及發炎反應中都扮演著相當重要的角色，因為它不但能調控細胞的增生和分化，亦可以使得細胞走向自我凋亡的命運。然而，究竟是什麼因素來決定，又如何決定細胞在受到TNF的刺激後要走向存活或是死亡的詳細機制，目前的研究仍然不清楚。TNF在細胞上的接受器主要可以被區分為兩大類:：TNFR1及TNFR2。之前已有文獻指出:由TNFR2所傳遞下來的訊息會使得細胞偏向存活下去，而TNFR1所傳遞訊息則較為複雜，在某些情況下會偏向存活，但在某些情況下又會偏向自我毀滅。

TNFR和許多其他的接受器如Fas (CD95)、TRAILR-1 (DR4)、TRAMP (DR3) 等等都因為細胞內的構造類似 (皆具有一段約60-70個胺基酸的 death domain)，而被稱為死亡接受器 (Death receptors)。在這些接受器中被研究的較為清楚的是CD95，也就是大家所熟知的Fas。根據和CD95相關的研究指出：當FasL和Fas結合時，Fas本身的death domain會活化，並吸引下游的一些adaptor proteins(例如：TRADD，FADD等等) 附著到Fas上，並一個接著一個的把訊息傳遞下去，進一步活化caspase-8，使得細胞走向自我凋亡。由於TNF刺激之後亦可以在細胞內觀察到類似的反應 (TRADD 和FADD及caspase-8的活化，所以之前的認知是覺得由TNFR1所傳遞下來的死亡訊息應該是和由CD95所傳下來的訊息類似。但是一直沒有確切證據可以證明TRADD和TNFR1本身之間有互相直接的接觸或互動。所以只能憑著一些間接的證據來假設TNFR1和CD95兩者所傳遞的訊息及傳遞方式類似。

在本篇研究中作者首先利用突變株的HT-1080細胞 (NF-kB不能正常活化的突變株) 證明了當細胞缺乏正常的NF-kB 活性時，由TNFR1所傳遞下來的死亡訊息比正常的細胞還要來的強許多；這項實驗指出NF-kB功能及活性不正常的細胞在受到TNF的刺激時比較容易走向自我凋亡。接著作者又利用了免疫沉澱法 (immunoprecipitation)的方式確認caspase-8及FADD並沒有直接和TNFR1結合，而是在細胞質中形成另一個複合體 (complex)，稱作complex II；而包含TNFR1及其他adaptor proteins在細胞膜上所形成的另一個complex則稱為complex I。Complex I 主要是由TNFR1，TRADD，TRAF2，及RIP-1組成，但是沒有FADD及caspase-8。Complex I可以藉由活化NF-kB而進一步的啟動許多anti-apopototic genes例如：c-IAP1和FLIP等等，使得細胞偏向存活的方向。Complex II的成分和complex I 大致相同 (TRADD、TRAF2和RIP-1)，不同的是它沒有TNFR1卻有FADD和caspase-8。除了以上那些成分外，在正常的細胞，complex II還含有少量的caspase-10和一些anti-apoptotic proteins例如：c-IAP1及FLIP。根據之前的研究我們知道FLIP本身就可以抑制caspases的作用，所以可以anti-apoptosis 。反觀在那些缺乏NF-kB正常功能的突變細胞中，complex II的c-IAP1和FLIP量明顯的比正常細胞的少，尤其是FLIP的量；但是caspase-10在complex II中所佔的份量卻顯著的比在正常細胞中要來的高出許多。而且這個complex II必須需要在FADD存在的情況下才可以順利形成。在突變細胞株中，complex II形成後caspase-8的活化態的表現量大幅上升，細胞的死亡也比較明顯。

綜合本篇所有的實驗結果，我們可以知道：當TNF和細胞上的TNFR1結時，一些下游的adaptor proteins如TRADD及TRAF2會聚集到TNFR1上並與之結合形成一個位於細胞膜上的complex I；而在之後，因為一些目前仍然不甚清楚的機制作用下，complex I中的大部分proteins會和TNFR1脫離並進而和許多位於細胞質中的proteins例如：FADD、caspase-8、caspase-10、c-IAP1和FLIP形成一個位於細胞質中的complex II。而這個complex II會使的caspase-8活化，進一步去活化下游其他的caspases使得細胞本身走向自我凋亡的命運。但是若是細胞本身的NF-kB正常的話，則可以藉由complex I來啟動一些抗死亡的基因，尤其是FLIP，可以藉由抑制caspase-8的活性而達到使細胞存活的效果。

     這篇研究提供了一個可能的答案來解釋為什麼同樣受到TNF的刺激，有的時候細胞會死亡，有的時候又會存活下來？根據這篇研究所提出的可能解答是：當受到TNF的刺激時，若是細胞本身的NF-kB正常的話，細胞即可迅速的作出許多anti-apoptotic proteins，尤其是FLIP；這些proteins可以去阻擋由complex II所傳遞下來的死亡訊息，所以細胞就不會死。相反的，若是細胞本身的NF-kB無法發揮正常的功用的話，就無法做出FLIP，無法阻止由complex II所傳遞下來的死亡訊息，而細胞就會走向滅亡。這就像是一個check point一樣，讓正常的細胞存活，而使不正常的細胞死亡。當然，也許還有其他的調控機制也參與在這整個系統中，只是還沒有被證實出來，但這篇研究的確讓我們對TNFR1所做的事有了更進一步的了解。因為它確實的告訴了我們：我們以前的推測並不完全正確；雖然Fas和TNFR1很類似，也都可以讓細胞走向死亡，但他們所走的路徑是不盡相同的。下圖即是他們的比較。

其實不只TNFR1有這樣兩種截然不同功能，線再也有一些研究指出其實Fas (CD95) 除了可以使細胞走向死亡以外，它也可以藉由一些其他的機制來促進細胞的存活。所以也許還有許多其他的調控細胞內訊息傳遞的機制等待著被發現。