cGAS-cGAMP-STING信號通路研究進展

吳曉霞，呂頌雅

（武漢大學生命科學學院，湖北武漢 430072）

1 胞質DNA受體

病原體入侵機體后，產生高度保守的病原相關分 子 模 式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs），能被宿主模式識別受體（pattern-recognition receptors，PRRs）特 異性 識 別[1]。PRRs包 括 Toll樣 受 體（Toll like receptors，TLRs)、RIG-I樣 受 體（RIG-I like receptors，RLRs）、Nod樣 受 體（Nod like receptors，NLRs）和DNA受體。PRRs將識別的PAMPs進行相應的信號轉導和級聯放大，最終激活Ⅰ型干擾素、炎癥因子和趨化因子等的表達，從而抑制病原體的復制和擴散，并最終清除病原體。

目前，已經鑒定出至少10種胞質DNA受體。根據這些DNA受體是否依賴接頭蛋白STING傳遞下游信號，可分為依賴STING型和非依賴STING型的胞質DNA受體。其中，依賴STING的DNA受體有cGAS、IFI16、DAI和DDX41等，非依賴STING的DNA受體包括AIM2、HMGBs和RNA pol Ⅲ等。目前，最受認可的DNA受體是James Chen實驗室鑒定出的胞質DNA受體cGAS[2]。本文將重點介紹cGAS-cGAMPSTING介導的I型干擾素信號轉導過程。

1.1 cGAS和cGAMP的發現

2013年，James Chen課題組發現病毒感染的細胞內存在能激活細胞產生Ⅰ型干擾素的物質，并利用質譜技術證明了該物質是環鳥嘌呤腺嘌呤（Cyclic GMPAMP，cGAMP）。 有 趣 的 是，cGAMP能 夠與STING結合從而活化I型干擾素信號通路[3]。隨后，他們通過生物純化和質譜技術鑒定出能夠合成cGAMP的酶——cGAS。cGAS能夠作為廣譜的胞質DNA受體[4]。

cGAS屬于核苷酸轉移酶家族成員，分子量為60kD。生物信息學分析顯示，cGAS由N端的DNA結合區，中間段保守的核苷酸轉移酶基序和C端Mab21結構域組成，其結構如圖1所示。

圖1 cGAS結構示意圖

cGAMP包含兩個特殊的磷酸鍵，分別為2’5’磷酸鍵和3’5’磷酸鍵，二者均由3’5’磷酸鍵連接[5]。最近的一些研究逐漸揭示了2’3’cGAMP在cGAS-cGAMP-STING信號通路轉導中的獨特優勢，這些優勢主要體現在天然存在的STING變體（R232H）只對2’3’cGAMP響應，而不響應普通的二聚核苷酸c-di-GMP和cGAMP。而野生型的STING（R232），雖然對2’3’cGAMP和c-di-GMP都響應，但是對2’3’cGAMP的親和性更高[6-7]。

1.2 STING的發現

2008—2009年，幾個不同的研究團隊分別報道了STING作為關鍵接頭蛋白在病毒誘導的天然免疫信號通路中扮演重要角色[8-10]。STING又稱MITA、ERIS或MPYS，含379個氨基酸，由包含4次跨膜結構的N端結構域和C端結構域（C-terminal domain,CTD）組成，其結構如圖2所示。靜息狀態下，STING定位于內質網膜和線粒體外膜上，C端游離于細胞質中，其羧基端尾巴（C-terminal tail, CTT）與CTD相結合使STING處于抑制狀態。

圖2 STING結構示意圖

STING在DNA病毒誘導的天然免疫信號通路中發揮關鍵作用。Barber等人發現，STING敲除的小鼠對HSV-1感染引起的死亡更加敏感。此外，在sting基因敲除的小鼠細胞中，HSV-1感染以及核酸模擬物刺激誘導的Ⅰ型干擾素的產生幾乎消失[10]。

1.3 cGAS-cGAMP-STING介導的Ⅰ型干擾素信號通路

cGAS以STING依賴的方式誘導IFNβ的產生。在L929細胞中敲低STING的表達能阻斷cGAS激活Ⅰ型干擾素，但敲低cGAS的表達不影響STING誘導的Ⅰ型干擾素的表達[4]。

cGAS-cGAMP-STING介導的胞質DNA識別模式如圖3所示，當DNA病毒感染細胞后，釋放到細胞質內的DNA會被胞漿DNA受體cGAS識別。cGAS識別dsDNA后，合成第二信使cGAMP，cGAMP與二聚化的STING結合，導致STING的CTT-CTD分離，進而活化STING。活化后的STING從內質網經高爾基體遷移至細胞核周圍的點狀膜結構上。在該處，STING作為支架蛋白，進一步招募TBK1和IRF3，促使TBK1磷酸化IRF3，磷酸化的IRF3入核，誘導Ⅰ型干擾素的產生。

1.4 STING介導的Ⅰ型干擾素信號通路的調控

STING介導的信號通路的過度激活會誘發自身免疫性疾病，如系統性紅斑狼瘡[11]。因此，STING介導的信號通路的活化必須受到嚴格的調控。

STING的磷酸化和泛素化對其活性的調控至關重要。TBK1介導STING的Ser358和366的磷酸化是STING信號轉導的關鍵[8]。STING的Ser36能被ULK1磷酸化，從而促進STING的降解[12]。TRIM30通過催化STING的K275位點發生K48連接的泛素化修飾，導致STING發生蛋白酶體途徑的降解[13]；TRIM56介導STING形成K63連接的泛素鏈有助于STING的二聚化[14]。

圖3 cGAS-cGAMP-STING介導的胞質DNA識別模式圖

2 總結

cGAS-cGAMP-STING介導的Ⅰ型干擾素信號通路是天然免疫領域的重大發現。當DNA病毒感染細胞后，釋放到細質內的病毒DNA會被DNA受體cGAS識別并合成第二信使cGAMP, cGAMP與二聚化的STING結合，使STING活化，活化的STING一方面招募TBK1激活IRF3，另一方面激活NF-kB，最終誘導I型干擾素及下游基因的表達，發揮抗病毒作用。對該信號通路的研究，將有助于加深對DNA病毒感染誘導的Ⅰ型干擾素激活機制的理解，并為自身免疫性疾病以及腫瘤免疫的藥物設計提供理論基礎。

[1]Akira S, Uematsu S, Takeuchi O. Pathogen Recognition and Innate Immunity [J].Cell,2006,124(4):783-801.

[2]Gao D, Wu J, Wu YT, et al. Cyclic GMP-AMP Synthase is an Innate Immune Sensor of HIV and other Retroviruses[J].Science,2013,341(6148):903-906.

[3]Wu J, Sun L, Chen X, et al. Cyclic GMP-AMP is an Endogenous Second Messenger in Innate Immune Signaling by Cytosolic DNA[J].Science,2013,339(6121):826-830.

[4]Sun L, Wu J, Du F, et al. Cyclic GMP-AMP Synthase is a Cytosolic DNA Sensor that Activates the Type ⅠInterferon Pathway[J].Science,2013,339(6121):786-791.

[5]Ablasser A, Goldeck M, Cavlar T, et al. cGAS Produces a 2'-5'-linked Cyclic Dinucleotide Second Messenger that Activates STING[J].Nature,2013,498(7454):380-384.

[6]Kranzusch P J, Lee A S, Berger J M, et al. Structure of Human cGAS Reveals a Conserved Family of Second-Messenger Enzymes in Innate Immunity[J].Cell Rep,2013,3(5):1362-1368.

[7]Zhang X, Shi H, Wu J, et al. Cyclic GMP-AMP Containing Mixed Phosphodiester Linkages is an Endogenous High-Affinity Ligand for STING[J].Mol Cell,2013,51(2):226-235.

[8]Zhong B, Yang Y, Li S, et al. The Adaptor Protein STING Links Virus-Sensing Receptors to IRF3 Transcription Factor Activation[J].Immunity,2008,29(4):538-550.

[9]Sun W, Li Y, Chen L, et al. ERIS, an Endoplasmic Reticulum IFN Stimulator, Activates Innate Immune Signaling Through Dimerization[J]. Proc Natl Acad Sci USA,2009,106(21):8653-3658.

[10]Ishikawa H, Barber G N. STING is an Endoplasmic Reticulum Adaptor that Facilitates Innate Immune Signalling[J].Nature,2008,455(7213):674-678.

[11]Ahn J, Ruiz P, Barber G N. Intrinsic Self-DNA Triggers Inflammatory Disease Dependent on STING[J].J Immunol,2014,193(9):4634-4642.

[12]Konno H, Konno K, Barber G N. Cyclic Dinucleotides Trigger ULK1(ATG1) Phosphorylation of STING to Prevent Sustained Innate Immune Signaling[J].Cell,2013,155(3):688-698.

[13]Wang Y, Lian Q, Yang B, et al. TRIM30alpha is a Negative-Feedback Regulator of the Intracellular DNA and DNA Virus-Triggered Response by Targeting STING [J].PLoS Pathog,2015,11(6):e1005012.

[14]Tsuchida T, Zou J, Saitoh T, et al. The Ubiquitin Ligase TRIM56 Regulates Innate Immune Responses to Intracellular Double-Stranded DNA [J]. Immunity, 2010,33(5):765-776.