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(pattern recognition receptor,PRR)与病原体表面的病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular pattern,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(type Ⅰ interferon,IFN-Ⅰ)等响应病原体的感染[1～2]。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[3]。近年来系列研究表明,细胞质中DNA触发宿主产生免疫反应[4～5]。环鸟苷酸腺苷酸合成酶(cyclic GMP-AMP synthase,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DNA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1～160)和1个C端结构域(氨基酸161～522)构成[8～9],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合成环鸟苷酸-腺苷酸(cyclic GMP-AMP,cGAMP)[6]。DNA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 acetyltransferase 5,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(stimulator of interferon genes,STING)的激活剂结合并激活内质网蛋白质STING[6,10]。STING由5个跨膜区域组成,主要位于内质网[11]。STING对环状二核苷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,因此环状二核苷酸也被称为是STING的最佳配体[12～13]。STING通过其C端结构域募集TANK结合激酶1(TANK-binding kinase 1,TBK1)和干扰素调节因子3(interferon regulatory factor 3,IRF3),TBK1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-β(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(herpes virus)、痘病毒(poxvirus)、腺病毒(adenovirus)以及人乳头瘤病毒(human papilloma virus,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cGAS。然而,相关研究报道,单纯疱疹病毒1(herpes simplex virus type 1,HSV-1)拥有多种免疫逃避策略[17]。Su等[18]首次证明,HSV-1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-β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[19]。另外,人类巨细胞病毒(human cytomegalovirus,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TBK1[20],类似的还有鼠痘病毒(ectromelia virus,ECTV)[21]。Ma等[15]报道卡波西肉瘤相关疱疹病毒(Kaposi’s sarcoma-associated herpesvirus,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(viral inter-feron regulatory factor 1,vIRF1)通过破坏STING与TBK1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(hepatitis B virus,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可能是一种新的思路和方法[23]。

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STING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HSV-1感染时所产生的cGAMP活性,并且抑制了IRF3二聚化,表明在HSV-1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,cGas-/-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STING缺失的情况下,小鼠小胶质细胞感染HSV-1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-β和相应抗病毒转录产物降低,但cGAS-STING通路的缺失并不会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(mitochondrial antiviral signaling protein,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HIV RNA逆转录合成的DNA[27～30]。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,IFN-α和IFN-β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-2 ORF9b[32]和SARS-CoV-2 ORF3a[33]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DNA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(Pf gDNA)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(extracellular vesicle,EV),EVDNA被释放到宿主细胞质中,然后激活依赖STING的细胞质DNA传感途径[37]。在恶性疟原虫感染的红细胞中,IFN-β mRNA水平和转染Pf gDNA诱导的IFN-β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-β 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cGas-/-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。

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-β mRNA,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,cGas-/-缺陷小鼠体内反而表现出更高水平的IFN-α和IFN-β,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,上述cGas-/-小鼠感染恶性疟原虫后其症状反而加重,因此cGAS-STING通路在抗疟原虫感染中的作用可能是复杂多样的。

2.3 抗细菌感染

cGAS-STING信号通路的激活诱导宿主产生Ⅰ型干扰素,通常情况下,Ⅰ型干扰素的产生被认为是针对病毒入侵的免疫应答反应,但实际上,大多数细菌感染也会导致Ⅰ型干扰素产生[41～44]。细菌对Ⅰ型干扰素的诱导有多种途径,其中较为常见的是Toll样受体(toll-like receptor,TLR)依赖途径[42],而当缺少TLR9的细胞感染单核细胞增生李斯特菌时,其仍然能够产生Ⅰ型干扰素[4],这正是由于细胞质中cGAS的存在。研究表明,THP-1细胞(人急性单核细胞白血病细胞)感染单核细胞增生李斯特菌后,依赖cGAS和STING来诱导IFN-β的产生,证明cGAS可以检测胞质中的细菌DNA以激活cGAS-STING通路产生免疫反应[45]。因此,cGAS除了能检测到病毒DNA和寄生虫DNA外,也可以检测细胞中的细菌DNA,包括革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌[16]。Li等[24]通过逆转录定量PCR分析进一步证实,cGAS对于细菌DNA诱导IFN-β产生是必不可少的。此后,Zhang等[46]也首次证明,胞质的沙眼衣原体DNA是感染过程中诱导IFN-β产生的触发器,而cGAS作为DNA传感器,在感知该DNA方面发挥了不可或缺的作用。此外,cGAS也可作为结核分枝杆菌感染的先天免疫传感器,研究显示,在人类或小鼠巨噬细胞中,结核分枝杆菌DNA激活cGAS以产生cGAMP,而敲除cGAS会阻止相关因子的产生和自噬的诱导,cGAS的缺乏导致感染结核分枝杆菌的致死率增加[45]。对于肺炎链球菌而言,宿主可通过cGASSTING通路识别胞质中的细菌DNA以产生Ⅰ型干扰素和促炎细胞因子,但小鼠实验显示,cGASSTING通路在对抗肺炎链球菌感染中不占主要地位[47]。自然情况下,人类STING还存在着某些突变体,例如STINGR231A和STINGR232H,它们通常对cGAMP的反应能力较弱,但实验发现,R232H在介导肺炎链球菌感染的免疫应答中仍然发挥作用,且人类或小鼠cGAS能促使STINGREF和STINGR231A被激活,这是由于STING突变体可以响应DNA和cGAS,因此,在cGAS与STING突变体之间或许还存在着某些不为人知的物理作用[47～48]。

尽管Ⅰ型干扰素可以干扰病毒复制并具有一定的抗菌作用,但有研究发现Ⅰ型干扰素对于细菌的作用有利有弊。例如,单核细胞增生李斯特菌通过cGAS-STING通路刺激Ⅰ型干扰素产生,但Ⅰ型干扰素可能会对宿主的抗菌反应产生不利影响[43]。在牛分枝杆菌感染过程中,产生过多的Ⅰ型干扰素会削弱宿主对感染的抵抗力,因此,最新研究发现宿主往往通过产生caspase-1蛋白抑制cGAS-STING信号通路,从而降低体内Ⅰ型干扰素的产生水平[49]。这些研究都表明,在某些种类的细菌感染中,Ⅰ型干扰素可能对宿主产生不利的作用;宿主通过cGAS-STING通路激活产生Ⅰ型干扰素对于自身而言究竟是增强抗菌能力还是削弱其抵抗力,尚有待进一步探索。

3 总结与展望

cGAS-STING通路作为一种有效的DNA识别途径,是宿主防御外来病原体感染的重要机制,在宿主抵抗病原微生物感染的天然免疫过程中扮演着极其重要的角色。在病原体侵入宿主细胞后,绝大多数病原体的遗传物质DNA被释放到宿主细胞质中,作为抗原物质被胞质DNA传感器cGAS识别并结合,进而激活cGAS-STING通路,启动免疫应答,释放Ⅰ型干扰素。

目前,国内外关于cGAS-STING通路在抗感染免疫方面的作用,均已经有较多的见解和认识[16,34,50],但是仍然有许多问题待进一步探索和解决。比如,研究对象尚存在着一定局限性。虽然关于该领域的报道较多,但大部分研究仅仅聚焦于DNA病毒和细菌,而针对RNA病毒和寄生虫感染免疫的研究却比较少。尽管部分研究显示,cGAS-STING通路参与抗RNA病毒感染,但RNA病毒与cGAS-STING通路之间的作用机制尚未完全阐明,cGAS对病毒RNA是否同样存在识别作用以及胞质RNA激活cGAS-STING通路的具体机制和效应也是未来的一个重要研究方向。另外需要注意的是,cGAS-STING通路虽然起着免疫防御作用,但同时也可能诱发严重感染。虽然已知cGAS识别细胞质中的病原体DNA后会通过cGAS-STING途径诱导Ⅰ型干扰素的产生,但Ⅰ型干扰素水平的上调在不同种类寄生虫感染中表现出不同的作用,既有保护作用又存在不利的影响。比如,在某些感染情况下,Ⅰ型干扰素的高水平表达促进了严重炎症反应,导致宿主存活率降低,这可能与宿主体内Ⅰ型干扰素的表达时间或表达量存在一定关系。因此,cGAS-STING通路的长时间持续性激活是否亦会对宿主产生不利影响,尚需要更多的研究论证。

对于寄生虫感染而言,抵抗再感染、增强宿主免疫保护作用是一直以来值得关注和解决的重要科学问题。某些寄生虫感染后,cGAS-STING通路所诱导的高水平IFN-β促使了IL-10表达,IL-10防止免疫反应加剧和炎症反应恶化,从而提高宿主抗再感染能力。而曼氏血吸虫和约氏疟原虫则相反,宿主缺失cGAS-STING通路时其抗感染能力反而增强。因此,如何通过相关激活剂或抑制剂作用于cGAS-STING通路,以改善宿主保护防御效能,还有待更多的研究去发现和挖掘。总之,深入剖析cGAS-STING通路与寄生虫DNA之间的作用机制与效应,有助于发现抗寄生虫感染的诊疗新靶点,从而为发展寄生虫病防治新方法打下基础,也可丰富cGAS-STING通路在抗病原微生物感染免疫中的研究领域。