抗DNA病毒信号通路cGAS-STING的研究进展
欧阳婷;刘晓慧;任林柱
【摘 要】病毒感染后,宿主的固有免疫系统快速地识别病毒并作出应答反应,但免疫系统识别和清除病毒的机制尚未完全阐明.研究表明,细胞识别和检测病毒主要通过受体完成,而环鸟苷酸-腺苷酸合成酶(cyclic GMP-AMP synthase,cGAS)是一种新发现的 DNA 识别受体,它将信号传递给下游的干扰素刺激基因(stimulator of interferon genes,STING)蛋白,诱导产生I型干扰素(type I interferon,IFN-I),从而启动细胞抗病毒免疫反应.本文综述了cGAS-STING信号通路的作用机制及抗病毒相关研究,以期为抗病毒药物的研发提供理论依据.%Innate immune system rapidly detects and responds to viruses at the early stage of viral infection. However,the mechanisms by which the immune system recognizes and eliminates them have not been fully clarified so far. Studies have shown that receptors are the primary tool for cell recognition and detection of viruses, and cyclic GMP-AMP synthase(cGAS)is one of the newly found DNA recognition receptors. cGAS transmits the signal to the downstream protein called STING(stimulator of interferon genes)and mediates the production of type I in存车牌
terferon(IFN-I),thereby to initiates the antiviral immunity of cells. This review briefly introduces the mechanism of the cGAS-STING signaling pathway, in order to provide a theoretical basis for the research and development of new antiviral drugs.
【期刊名称】微型直线电机靶板《中国比较医学杂志》
【年(卷),期】2018(028)003
【总页数】5页(P103-107)
【关键词】抗病毒;干扰素刺激基因;环鸟苷酸-腺苷酸合成酶;固有免疫
【作 者】欧阳婷;刘晓慧;任林柱
【作者单位】吉林大学动物科学学院,长春 130062;吉林大学动物科学学院,长春 130062;吉林大学动物科学学院,长春 130062
【正文语种】中 文
【中图分类】R-33
固有免疫系统通过模式识别受体(pattern recognition receptors，PRRs)检测病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)和损伤相关分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs)，并触发I型干扰素和促炎细胞因子的相关信号通路[1]。研究发现，细胞检测病毒PAMPs的PRRs可以分为两类：一类是识别病毒RNA的PRRs，包括胞内Toll样受体家族(Toll-like receptors，TLRs)中的TLR3、TLR7、TLR8，以及胞质RIG-I样受体(RIG-I like receptors，RLRs)和黑素瘤分化相关基因5蛋白(melanoma differentiation-associated gene-5，MDA5)等；另一类是识别病毒DNA的PRRs，常见的有TLR9、AIM2(absent in melanoma 2)、DNA结合蛋白(DNA-dependent activator of IRFs，DAI)、RNA聚合酶Ⅲ(RNA pol III)、干扰素诱导蛋白16(IFN-γ-inducible protein 16，IFI16/p204)、DDX41(DEAD-box helicase 41)等[2-3]。研究证实，在特定的细胞和老鼠模型中TLR9、AIM2、DAI、RNA聚合酶Ⅲ、IFI16、DDX41以及LSm14 A(mRNA processing body assembly factor)能够用于识别病毒DNA，但这些受体蛋白并不广泛适用于所有类型的细胞和体内的病毒DNA识别[4]。 2013年Gao等[5]在哺乳动物中发现了一种广泛存在于各种细胞的胞质DNA识别受体cyclic adenosine-adenosine synthase(cGAS)，该受体能够在识别病毒DNA后催化合成内源性第
二信使分子——环化二核苷酸cGAMP(2’-3’ cyclic AMP-GMP)，随后激活靶定在内质网(endoplasmic reticulum，ER)上的干扰素刺激基因(stimulator of interferon genes，STING；也称为MITA、TMEM173)蛋白，进而触发I型干扰素的抗病毒反应[6]。STING是DNA识别信号通路中的重要接头蛋白，有研究表明，目前所发现的胞内双链DNA识别受体均可以通过STING蛋白介导激活I型干扰素通路[7]，对于固有免疫和适应性免疫反应具有重大的意义[8]。Lio等[9]发现CMV能激发cGAS-STING通路，同时发现STING缺失细胞中感染RNA病毒后，IFN的表达水平下降，表明了cGAS-STING通路在抗病毒免疫反应中占据重要地位。鉴于此，本文综述了cGAS-STING通路在抗病毒免疫反应中的作用。
1 cGAS识别DNA
cGAS是核酸转移酶家族中的一员，其晶体结构与2’-5’-寡腺苷酸合成酶(2’-5’-oligoadenylate synthase 1，OAS1)高度相似[10]。OAS1能特异性识别双链RNA(double-stranded RNA，dsRNA)，而cGAS主要识别双链DNA(double-stranded DNA，dsDNA)[11]。cGAS包含一个核酸转移酶区域和两个主要的DNA结合位点[10, 12-13]。两个DNA结合位点对复合体的形成发挥作用，其中，位点一在cGAS活化构象改变中发挥作用，而位点 二在cGAS二聚体形成过程中起辅助作用[8, 10, 12]。静息状态下，cGAS结合DNA形成2: 2的复合体，引起cGAS构象的改变从而转变为活化状态，并催化ATP和GTP生成环化二聚核酸化合物cGAMP[10]。晶体学研究表明，cGAS的C端存在一个高度保守的锌指结构，该锌指结构和cGAS表面的正电荷有助于cGAS结合DNA，并借助Mg2+和Mn2+的作用使cGAS构象改变，进而催化形成cGAMP[14]。此外cGAS与DNA的结合主要发生在DNA的核糖-磷酸骨架上，因此cGAS与DNA的结合不需要依赖序列的特异性[10]。Li等在研究dsDNA长度与cGAS活化之间的作用时发现，当dsDNA的长度为12 bp时不能有效地活化cGAS，而当长度为18 bp时cGAS的活性达到了90%，这是因为dsDNA的长度大于16 bp才能与cGAS二聚体的两个DNA识别位点结合，促使构象改变从而活化cGAS[10, 14]。
近期研究发现，cGAS也能与单链DNA(single-stranded DNA，ssDNA)结合形成二聚体结构从而激活cGAS，其中，一些由ssDNAs形成的Y型结构中包含一个双链体和含鸟嘌呤残基的单链突出端，该鸟嘌呤残基对活化cGAS起作用，但Y型结构对活化cGAS的相关作用需要进一步的验证[15]。此外，dsRNA也能与cGAS结合，但并不能激活cGAS。建模研究表明，B型DNA结合并推动cGAS的活化环，使cGAS的活化位点发生重排进而活化。相比之下，A型的dsRNA不能使活化位点发生重排，因此dsRNA不能激活cGAS[15]。
2 cGAMP激动STING蛋白诱导产生Ⅰ型干扰素
生活垃圾处理器2008年，两个研究组分别从人或鼠的cDNA表达文库中筛选出可激活干扰素调节因子3(IFN regulatory factor 3，IRF3)的基因，其编码蛋白分别命名为STING和MITA(mediator of IRF3 activation)，随后的研究证实STING和MITA为同一个蛋白[16]。
STING蛋白是诱导产生I型干扰素过程中重要的接头蛋白，主要位于内质网和线粒体上。STING在多种免疫组织细胞，如胸腺、心脏、脾、胎盘、肺以及外周血白细胞等，中高水平表达；而在脑部、骨骼肌、结肠、小肠、肝及肾等组织器官中表达量较低；同时，该基因在个别改造过的细胞系中的表达水平也较高，如HEK293肾胚胎细胞、A549肺癌细胞、THP-1单核细胞、U937淋巴瘤细胞等[17]。
序列比对发现，人源STING基因编码379个氨基酸，与鼠源STING基因的相似度高达81%[17]。STING蛋白的C端结构域CTD(C-terminal helicase domain)位于细胞质中，N端含有多个跨膜(transmembrane，TM)结构域[16, 18]。多位研究者都认为STING含有4个TM结构域：Zhong等发现STING的第3个TM将STING定位于线粒体[19-20]；Jin等[21]发现少量的TM结构域也可定位于质膜上；Sun等[22]发现STING蛋白定位于内质网上，蛋白中间存在柴油抗磨剂
两个内质网滞留序列(分别为R76Y77R78和R178I179R180)；而Ishikawa等[23]认为STING有5个TM结构域，静息状态下STING主要定位于内质网上，且在内质网和线粒体相邻的区域MAMs(mitochondria-associated membranes)上也有分布。晶体结构研究发现，人源STING的CTD由138～379位氨基酸组成，分别为由152～173位氨基酸组成的二聚结构域(dimerization domain，DD)和C端结构(C-terminal tail，CTT)，其中DD区域为高度保守的疏水结构域[11]，无配体的情况下STING蛋白多为二聚体的形式存在，且蛋白在DD区域发生聚合，STING蛋白二聚化是产生干扰素的关键因素[17]。
目前，对于STING蛋白的活化有两种说法：一种是STING蛋白二聚体处于自我抑制的状态，cGAMP或其它二核糖核酸类化合物通过疏水作用和氢键结合到STING蛋白二聚体的裂缝中，导致STING蛋白构象改变、活化并释放出CTT结构域，活化后的STING蛋白招募和激活TANK-结合激酶1(TANK-binding kinase 1，TBK1)[15]，然而，CTT结构域在STING的晶体结构中并不是显而易见的。分子模型和功能实验分析发现，STING与cGAMP结合形成一个帽子结构，并提供了一个与STING的羧基末端结合的锚定位点，这使得CTT形成一个类似于TBK1底物的结构，而被TBK1磷酸化，进而引起IRF3的活化[15]。另一种说法是，STING感应胞质中的dsDNA后，促使其二聚化，并出现胞质离散灶的重新定位，这种重定
位有助于招募和激活TBK1，进而磷酸化IRF3[17]。研究表明，活化的STING可定位于核外周并形成点状结构，而未活化的则定位于内质网与线粒体上[22]。活化的STING与招募来的TBK1和IRF3一起靠近核外周，同时激活IKK(inhibitor of NF-κB kinase)、促进NF-κB(nuclear factor κB)磷酸化[24]。磷酸化的IRF3在此过程中聚合形成二聚体并和NF-κB一起转移至细胞核中激活干扰素基因和其它细胞因子的转录，从而产生免疫应答，发挥抗病毒作用[12]。
此外，研究证实，STING能够通过其CTD结构域直接识别细胞质中c-di-GMP和c-di-AMP[25]。Paludan等[25]认为CTD结构域有助于促进STING二聚化，环二核苷酸结合主要发生在STING二聚体中的裂缝中，并有利于缓解STING的自我抑制状态，从而暴露CTT结构域，稳定STING复合物的结构，但并不引起STING复合物构象变化。随后，Abe等[26]的研究证实，STING能够直接识别细胞质中的dsDNA，主要是STING中的第242～341位氨基酸结构域起作用，但是其对dsDNA的亲和力较低。另外，STING具有活化自噬通路以及STAT6转录因子的作用[17]。
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