cGAS-STING通路在抗感染免疫的研究进展.docx

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1、cGAS-STING通路在抗感染免疫的研究进展王熙，秦志强(中国疾病预防控制中心寄生虫病预防控制所世界卫生组织热带病合作中心科技部国家级热带病国际联合研究中心国家卫生健康委寄生虫病原与媒介生物学重点实验室国家热带病研究中心，中国上海200025)先天免疫是机体防御各种病原微生物入侵的第一道防线，宿主通过模式识别受体(Patternrecognitionreceptor,PRR)与病原体表面的病原体相关分子模式(PathOgen-associatedmolecularpattern,PAMP)相互识别和作用，触发信号级联反应，并通过释放促炎细胞因子、趋化因子和I型干扰素(typeIinterfe

2、ron,IFN-I)等响应病原体的感染病原微生物的核酸(DNA或RNA)可以激活人体内多种天然免疫识别受体30近年来系列研究表明，细胞质中DNA触发宿主产生免疫反应45。环鸟甘酸腺甘酸合成酶(cyclicGMP-AMPsynthase,cGAS)作为一种胞质DNA传感器6,其介导的cGASSTING感受通路可诱导I型干扰素产生，从而抵御病原微生物感染，这表明cGAS在抗感染免疫中具有重要作用。cGAS通路的发现将众多重大疾病与天然免疫联系在一起，开启了研究人类疾病机制的新大门，引起了国际学术界的广泛关注。1 cGAS-STING通路的免疫机制cGAS是一种模式识别受体，也是一种位于细胞质中的D

3、NA传感器，可以识别胞质DNA以启动先天免疫反应7。人类CGAS由1个N端结构域(氨基酸l160)和1个C端结构域(氨基酸161522)构成89,其中C端NTase和Mab21结构域高度保守，而N端氨基酸的一级序列在进化上非高度保守，研究表明删除N端160个残基并不影响CGAS对细胞因子的诱导，相反,NTase和Mab21域对CGAS活性却极为重要5。cGAS与DNA结合后发生构象变化,催化GTP和ATP合成环鸟甘酸-腺普酸(CyCliCGMP-AMP,cGAMP)60DNA与cGAS的结合受到某些因素影响，比如:DNA长度越长，激活能力就越强5。Song等8将赖氨酸乙酰转移酶5(lysine

4、acetyltransferase5,KAT5)鉴定为cGASSTING通路的正向调节因子，它可以促进CGAS的DNA结合能力和自身活化。cGAMP在CGASSTING通路中充当内源性第二信使，作为干扰素基因刺激因子(StinlUlatorofinterferongenes,STING)的激活剂结合并激活内质网蛋白质STING6,10oSTING由5个跨膜区域组成，主要位于内质网11。STING对环状二核甘酸的识别具有特异性，这种特异性主要依赖于STING的分子结构，研究表明STING是一种具有V形结构的二聚体，两个STING分子共同结合一个c-di-GMP分子,STING与c-di-GMP的

5、结合位点位于其V形二聚体界面的底部，两者通过氢键连接，因此环状二核甘酸也被称为是STlNG的最佳配体1213oSTING通过其C端结构域募集TANK结合激酶I(TANK-bindingkinase1,TBK1)和干扰素调节因子3(interferonregulatoryfactor3,IRF3),TBKl和IRF3的相互接近促进IRF3磷酸化，使其二聚化并易位到细胞核，以激活IFN-(interferon-beta)基因的转录，最终导致I型干扰素的产生13。I型干扰素的诱导也受STING表达水平的影响，STING的过表达可以有效地诱导IRF3的二聚化增加以及IFN启动子的高表达11,它在响应各

6、种DNA病原体的感染中起着至关重要的作用14。总的来说,cGAS-STING通路的激活触发了包括I型干扰素在内的先天免疫反应，从而诱导有效的抗病原体感染免疫。2 cGAS-STING通路在抗感染免疫中的作用2. 1抗病毒感染病毒是一类仅由遗传物质和蛋白质外壳组成的非细胞微生物，由于其特殊的生理结构，机体通过模式识别受体检测细胞质中的病毒核酸(DNA或RNA)是诱导产生免疫反应的重要机制1因此,在机体受到DNA病毒入侵时，病毒DNA就作为主要的PAMP与cGAS相互识别和作用，从而激活cGAS-STING通路，并导致I型干扰素的产生和随后的一系列抗病毒反应15。迄今为止，国际上对于DNA病毒感染

7、与cGAS-STING通路的报道已有许多，cGAS-STING途径在病毒感染后的早期免疫反应中起着主导作用。现有研究表明，cGAS可以识别疱疹病毒(herpesvirus)、痘病毒(PoXVirUs)、腺病毒(adenovirus)以及人乳头瘤病毒(humanpapillomavirus,HPV)等常见的DNA病毒，且上述DNA病毒均可以通过cGAS-STING途径被I型干扰素抑制16。作为人群中最流行的DNA病毒之一，疱疹病毒已被证实其DNA的识别依赖于胞质DNA传感器cGASo然而，相关研究报道，单纯疱疹病毒1(herpessimplexvirustype1,HSV-1)拥有多种免疫逃避策

8、略17。SU等18首次证明，HSVT膜蛋白UL41(病毒体宿主关闭蛋白)通过降解cGAS和异位表达，减少cGAS的积累，并抑制cGAS和STING介导的IFN-P启动子激活，从而逃避cGAS-STING通路的监测，消除宿主对病毒的识别。HSV-2则通过激活该通路诱导附睾上皮细胞的先天抗病毒反应19o另外，人类巨细胞病毒(humancytomegaIovirus,HCMV)DNA对IRF3-IFN-I轴的激活同样依赖于3种关键分子，即cGAS、STING和18。20,类似的还有鼠痘病毒必0仃0111。口/virus,ECTV)21oMa等15报道卡波西肉瘤相关疱疹病毒(Kaposi,ssarco

9、ma-associatedherpesvirus,KSHV)感染时会激活cGAS-STING通路，并且首次发现人类DNA病毒编码的多种蛋白质能够抑制该通路的激活，例如：病毒干扰素调节因子1(viralinter-feronregulatoryfactor1,VlRFl)通过破坏STING与TBKl之间的相互作用，从而阻断DNA传感通路。在树突细胞中，裸露的乙型肝炎病毒(hepatitisBvirus,HBV)DNA具有强烈的免疫刺激潜力，通过cGAS感知和STING介导引发先天免疫反应22。基于cGAS-STING通路原理,有研究者认为,在治疗HBV感染方面，利用小分子靶向作用STING可能是

10、一种新的思路和方法230此外，为进一步研究cGAS在诱导先天抗病毒反应中的作用，众多研究团队利用cGAS缺陷型(CGaS-/-)或STlNG缺陷型(Sting-/-)小鼠与野生型(WT)小鼠进行对照实验,证实了CGAS在DNA识别依赖性信号通路中的重要作用。例如,Sun等5研究发现,cGAS的缺乏在很大程度上消除了HSVT感染时所产生的CGAMP活性，并且抑制了IRF3二聚化，表明在HSV-I感染过程中，cGAS对于cGAMP的产生和IRF3的激活是必不可少的。另有研究表明，对于cGAS缺陷小鼠的细胞(包括成纤维细胞、巨噬细胞和树突细胞),在DNA转染或DNA病毒感染时，其未能产生I型干扰素和

11、其他细胞因子，甚至还促进了病毒的复制，宿主细胞中表现出较高水平的病毒载量24。Cheng等21的实验结果显示,eGas-/-或Sting-/-小鼠感染ECTV后表现出较高的病毒载量，并且该类型小鼠对ECTV的易感性明显增强。另外,体外感染实验结果显示,在CGAS和STlNG缺失的情况下,小鼠小胶质细胞感染HSVT后，I型干扰素表达水平明显受损25。显然,cGAS或STING表达的中断导致了I型干扰素生成减少，宿主抗病毒反应减弱，从而相应地就促进了病毒在宿主内的复制。有意思的是,在感染腺病毒时,虽然早期的抗病毒免疫反应受损，IFN-和相应抗病毒转录产物降低，但cGAS-STING通路的缺失并不会

12、影响宿主内病毒的清除，表明cGAS-STING通路的缺失并不影响腺病毒清除26。除DNA病毒外,cGAS也被认为系某些逆转录病毒的先天免疫传感器。内源性逆转录病毒RNA一方面可以通过线粒体抗病毒信号蛋白(mitochondrialantiviralsignalingPrOtein,MAVS)依赖的RNA识别途径被感知，另一方面也可经逆转录被cGAS-cGAMP-STING途径检测到，例如HIVRNA逆转录合成的DNA2730。其他RNA病毒,例如尼帕病毒和麻疹病毒，与DNA病毒类似，宿主细胞在被其感染后的一段时间内也可检测到STING的活化，并且实验发现,在cGAS-STING通路受损的细胞中

13、，IFN-和IFN-B的mRNA显著减少，宿主抗病毒反应减弱31。最新针对严重急性呼吸综合征冠状病毒2型(SARS-CoV-2)的相关研究同样发现,SARS-CoV-2感染后cGAS-STING通路被激活，而病毒蛋白质SARS-CoV-2ORF9b32和SARS-CoV-2ORF3a33对cGAS-STING通路起着抑制作用。2.2 抗寄生虫感染cGAS-STING通路介导的先天免疫反应对于控制寄生虫感染也有着良好的效应34。宿主受到寄生虫感染时，I型干扰素是一类重要的效应产物,研究表明I型干扰素同样可以被诱导以响应寄生虫感染35。寄生虫DNA可以进入宿主细胞的细胞质中，来自寄生虫的基因组DN

14、A同样会触发cGAS-STING通路。近年来，国内外关于cGASSTING通路在寄生虫感染免疫的研究也越来越多，引起了较大关注。疟原虫是引起人类疟疾的病原体，其常见的类型有4种，包括恶性疟原虫、间日疟原虫、卵形疟原虫和三日疟原虫。Gallego-Marin等36通过实验证实,cGAS对恶性疟原虫基因组DNA(PfgDNA)有重要的识别作用，cGAS-STING通路在恶性疟原虫感染中参与诱导I型干扰素的产生。恶性疟原虫首先分泌一种含有非编码RNA和基因组DNA的细胞外囊泡(extracellularvesicle,EV),EVDNA被释放到宿主细胞质中,然后激活依赖STING的细胞质DNA传感途

15、径37o在恶性疟原虫感染的红细胞中，IFN-BIiIRNA水平和转染PfgDNA诱导的IFN-B水平都显著升高，而未感染恶性疟原虫的红细胞没有诱导IFN-mRNA的表达，表明疟原虫DNA在感染过程中作为一种有效的PAMP启动宿主免疫应答反应36。另有研究显示，疟原虫感染的STING信号突变小鼠与eGas-/-小鼠类似，随着感染的进行,体内表现出比野生型(WT)小鼠更高的寄生虫负荷和更高的寄生虫血症34。针对弓形虫的研究也有类似的现象,Wang等38利用小鼠模型发现,抗弓形虫免疫反应的激活需要cGAS,缺乏cGAS和STING的小鼠呈现出更严重的表型且更容易被感染。在弓形虫感染期间，来自刚地弓形

16、虫的致密颗粒蛋白GRA15分泌并定位于宿主细胞胞质中，促进STING的寡聚化和活化,有助于增强cGAS-STING信号和先天免疫反应。因此,cGAS和STING在抵抗寄生虫感染中起着重要的免疫作用Q相反,另有一些研究发现,体内cGAS-STING信号通路缺失或未被激活的小鼠反而对某些寄生虫病原体感染更具免疫抵抗力。SOUZa等39报道，曼氏血吸虫DNA可以被cGAS识别并激活STING,曼氏血吸虫DNA转染野生型小鼠胚胎成纤维细胞后产生高水平的IFN-RNA,但是该通路的缺失却使小鼠更能够抵抗曼氏血吸虫的感染。另外,用致命性约氏疟原虫YM虫种感染小鼠后,eGas-/-缺陷小鼠体内反而表现出更高水平的IFN-a和IFN-B,且感染症状减轻，该研究最终发现CGAS和STING缺陷小鼠对YM感染具有更强的抵抗性40。需要指出的是,上