Caspase-1介导的细胞焦亡在斑马鱼排卵中的功能和机制研究

As one of the basic physical event in vertebrates, ovulation is a dynamic process which would release the mature oocyte from the ovary. Ovulation process is orchestrated by luteinizing hormone (LH) and has shown that ovulation is an immune-like response reaction, but its mechanism remains to be studied. Caspase-1 is one of important innate immune factor, which is able to cleave pro-inflammatory cytokines such as interleukin-1b (Il1b). Recently caspase-1 has been demonstrated to regulate a new discovered programmed cell death type called Pyroptosis. Currently, using zebrafish as model, we found that active caspase-1 and Il1b expression can be stimulated by LH in ovary, and ovulation can be significantly blocked by a Caspase-1 inhibitor. In addition, a large number of follicular cells death could be observed during ovulation. These results strongly suggested that caspase-1-dependent pyroptosis may play an important role in zebrafish ovulation. Therefore, in this project, we intend to discuss three key questions in zebrafish: (1) How does the LH activate Caspase-1? (2) Is the caspase-1-dependent pyroptosis involved in ovulation? (3) Is the caspase-1 essential for ovulation?

排卵作为物种繁衍的基本生理活动之一，是将成熟卵子从卵巢中排出的动态过程。排卵过程被认为是一种由黄体生成素（LH）启动的免疫应答反应，然而其机理仍有待研究。半胱天冬酶-1（Capase-1）是机体天然免疫中的一种重要因子，可剪切白介素-1b（Il1b），近年被证实可调控一种新的细胞程序性死亡方式——细胞焦亡（pyroptosis）。目前利用斑马鱼为模型，我们发现Caspase-1的活性和Il1b的表达均可被LH激活，利用Caspase-1抑制剂可显著阻断排卵，同时我们观察到排卵过程中有大量滤泡细胞死亡。这些结果都提示Caspase-1及其介导的细胞焦亡可能在斑马鱼排卵过程中具有重要作用。因此在本项目中，我们拟在斑马鱼中探讨以下三个关键问题：1）LH如何激活滤泡细胞中的Caspase-1？2）依赖于Caspase-1的细胞焦亡是否参与排卵？3）Caspase-1的激活是否为排卵所必需？

排卵是一个由黄体生成素（LH）所触发的复杂生理过程，通过诱导多种因子的表达，最终导致滤泡细胞层部分细胞被消化而发生破裂和卵子的释放，这一过程，涉及到细胞死亡，损伤和修复，以及组织的重构等。在哺乳动物中，排卵过程是一种特殊的免疫反应的观点已被公认，但其分子机理仍有待进一步研究，特别在大多非哺乳动物物种中，相关研究仍近于空白。申报人以斑马鱼为模型，发现了排卵过程中滤泡细胞层的死亡细胞数量会增加，为了辨别是何种细胞死亡方式，我们先后检测了被认为是卵巢中主要细胞死亡方式的细胞凋亡和自噬性死亡。令人意外的是，细胞凋亡在斑马鱼排卵过程中并未被激活，而自噬在排卵后发生，我们推测这可能与排卵残留的滤泡细胞消化有关。随后针对细胞焦亡进行了检测，我们发现排卵过程中Caspase-1、Il1b和Gasdermin Eb都被激活了，并且Il1b受LH信号通路调控。通过超薄切片透射电镜观察发现滤泡细胞层毛细血管的内皮细胞发生肿胀，随之细胞膜破裂，是典型的细胞焦亡形态。这些结果表明，在斑马鱼排卵过程中，LH可通过滤泡细胞层上的LHR激活炎症小体，进一步激活Caspase-1，从而剪切Gasdermin Eb引起细胞焦亡，同时LH通过cAMP/PKA信号途径，使得前体Il1b被有活性的Caspase-1切割，释放Il1b成熟肽到细胞外，引起炎症反应。此外，Igf3也能够被LH激活，诱导斑马鱼卵母细胞成熟，并在此过程中激活Caspase-1和Il1b，这三条途径共同作用，最终滤泡细胞层毛细血管内皮细胞发生肿胀，随之破裂，发生经典的细胞焦亡。这为理解动物的排卵机理提供了新的视角，并进一步丰富了排卵作为一种免疫应答反应学说的理论体系。