Investigating the role of Caspase-10 in Primary Biliary Cholangitis (PBC) and GSDME-mediated Pyroptosis

Abstract

Primary biliary cholangitis (PBC) is characterized by chronic inflammation and injury to biliary epithelial cells. The identification of critical genetic factors in PBC patients is of great importance. In this study, we performed whole-exome sequencing of five female sibling from a multi-PBC family, including one unaffected and four affected sisters. Among the identified 61 rare heterozygote variants that segregated exclusively within the affected sisters, our focus was on caspase-10. To investigate the role of caspase-10, we generated caspase-10 knockout macrophages and compared their phenotype with caspase-8 knockout, a structurally similar protein. Unlike caspase-8, caspase-10 did not play a role during macrophage differentiation. However, following differentiation, caspase-10 exhibited a stronger regulatory role in inflammatory cell deaths such as necroptosis and pyroptosis. Notably, caspase-10 displayed superior protease activity in RIPK1 cleavage and demonstrated an enhancer ability to form a complex with RIPK1 and FADD in human macrophage. Higher inflammatory cell death significantly influenced the fibrotic response of hepatic stellate cells. This effect was found to be reversible by treatment with UDCA and OCA, both of which are currently approved for PBC patients. Our findings strongly indicate that the impaired function of caspase-10 in macrophages contributes to the pathogenesis of PBC, suggesting a novel therapeutic approach for the treatment of PBC. Additionally, we explored a recent development in cancer therapy involving pyroptosis induction by overexpressing GSDME. Despite the high homology between Caspase-10 and Caspase-8, we observed differences in catalytic activity towards the substrate. By generating Caspase-10 and Caspase-8 knockout cell lines in HepG2, we investigated the impact of these differences on the regulation of GSDME-mediated pyroptosis. Our results revealed that Caspase-8 plays a more critical role in GSDME activation despite Caspase-10 having higher activity. Furthermore, we found that methylation regulation can modulate Caspase-8 and GSDME. These findings indicate that the activity of caspase-10 and caspase-8 can be modulated depending on the stimulus, potentially allowing the regulation of cell death in a desired direction. The discovery presents an opportunity for targeting these effector molecules as a therapeutic approach for various diseases. 원발성담즙성간경변 (Primary biliary cholangitis, PBC)은 만성 염증과 담도 상피세포 손상이 특징적인 자가면역 질환이다. 간이식의 원인 질병 중 높은 비율을 차지하고 있는 만큼 질병의 원인을 규명하고자 많은 연구가 진행되고 있다. 자가면역질환인 PBC는 아직까지 정확한 원인이 규명 되어있지 않았고, 여러 환경적 요인과 유전적 요인이 원인이 존재 할 것이라 생각되어지고 있으며 최근 환자에서 중요한 유전적 요인을 확인하는 것은 매우 중요하다고 생각되어지고 있다. 본 연구에서는 PBC로 진단받지 않은 한 명의 이복 자매와 PBC로 진단된 네 명의 동복 자매를 포함한 가계 구성원 다섯 명의 여성을 대상으로 전체 엑솜 시퀀싱을 수행하였다. PBC로 진단된 여성 자매들에게서 나타나는 61개의 희귀 변이 유전자 중에서, 이번 연구에서는 caspase-10에 초점을 맞추어 연구를 진행했다. caspase-10의 역할을 조사하기 위해 caspase-10 돌연변이 대식세포를 제작하고 그들의 형질을 caspase-8 돌연변이 대식세포와 비교하였다. caspase-8과는 달리 caspase-10은 대식세포 분화 과정에서는 역할을 하지 않았으나 분화 이후에 caspase-10은 네크롭토시스와 파이롭토시스와 같은 염증성 세포 사멸에서 더 강력한 규제 역할을 보였다. 특히, caspase-10은 RIPK1의 분해에 대해 우수한 활성을 나타내며, 인간 대식세포에서 RIPK1, FADD와 함께 복합체를 이룰 수 있는 능력이 있음을 확인하였다. 대식세포에서의 Caspase-10 돌연변이에 의한 과도한 염증성 세포 사멸은 간성상세포(HSCs) 섬유화 반응에 상당한 영향을 주었다. 이 효과는 현재 PBC 환자에게 승인된 UDCA와 OCA 치료로 되돌릴 수 있음을 확인하였다. 본 연구 결과는 대식세포에서 caspase-10의 기능 장애가 PBC의 발생 기전에 기여한다는 것을 강력히 시사하며, PBC 치료에 대한 새로운 치료 접근 방법을 제시할 것이라 기대한다. 최근 GSDME를 매개로 pyroptosis를 유도한 항암치료가 연구되어지고 있다. 앞선 결과들을 바탕으로 Caspase-10 과 caspase 8 이 서로 비슷할지라도 우리는 각각이 기질에 대한 활성도가 다름을 확인하였다. 따라서 이러한 차이가 GSDME에 대해서도 다를지 확인하기 위하여 간암세포주인 HepG2에서 Caspase-10 과 Caspase-8의 돌연변이를 유도하였다. 본 연구에서는 Caspase-10 이 GSDME에 대한 활성이 높음에도, caspase-8 이 자극에 따라 GSDME에 대해 더 중요한 역할을 한다는 사실을 입증했다. 이 결과를 바탕으로 관련된 molecule들을 조절하면 자극에 따라 세포사멸을 조절할 수 있다는 가능성을 제시하였다. 따라서 본 연구에서는 methylation을 조절하여 Caspase-8 과 GSDME 의 발현을 조절하였다. Caspase-10 과 Caspase-8 의 활성이 자극 특이적으로 조절된다는 것을 확인하였고 관련된 인자들을 조절하면 자극에 따라 세포사멸을 조절할 수 있다는 가능성을 제시하였다. 이러한 발견은 다양한 질환에 대한 치료적 접근으로서 이러한 효소 분자들을 표적으로 삼을 수 있는 기회를 제시한다.