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文献分享 | Immunity综述，cGAS-STING DNA感应信号通路的机制研究进展
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自从2006年首次描述细胞内DNA感应以来，2008年发现STING，2013年确定cGAS和cGAMP，我们对cGAS-STING DNA感应信号通路的机制和功能的理解呈指数增长。 cGAS-STING DNA感应信号通路： 脊椎动物中细胞内DNA的主要传感器是环化GMP-AMP合成酶（cGAS）。cGAS以序列无关的方式结合双链DNA（dsDNA）的糖磷酸骨架，导致结构重排激活GTP和ATP生成环化GMP-AMP（cGAMP）。cGAMP迅速扩散到整个细胞，并与内质网（ER）上的干扰素基因激活剂（STING）跨膜蛋白结合。 cGAMP与STING的结合导致STING构象改变，暴露出结合位点，用于结合tank结合激酶1 （TBK1）和转录因子干扰素调节因子3（IRF3）。IRF3经历TBK1介导的磷酸化、二聚化和核转位，以激活IFN基因。 除了激活IFNs外，STING还与NF-kB转录因子结合，诱导促炎症细胞因子和趋化因子的表达。 图片 在脊椎动物中，任何潜在来源的dsDNA激活cGAS，引发了自/非我识别的难题。例如，罕见的“干扰素病”Aicardi-Goutieres综合征（AGS），其中一些病例是由代谢、修饰或包装自我DNA的酶突变引起的，导致cGAS的不当激活和严重病理。在细胞衰老过程中积累的DNA的损伤似乎激活了cGAS，加速衰老和“炎症老化”过程。 相比之下，越来越多的证据表明，这些相同的自我DNA反应机制在由辐射和化疗刺激的抗癌免疫保护中发挥作用。因此，自我DNA激活cGAS的高潜力可能既有病理功能也有保护功能。 图片 4月9日，华盛顿大学Daniel B. Stetson在《Immunity》上发表题为“New frontiers in the cGAS-STING intracellular DNA-sensing pathway”的综述文章。 在这篇综述中，作者探讨了cGAS的病理和保护功能，并总结了两个最新的进展，提供了对cGAS-STING通路调控的意外见解。 第一个是关于cGAS与染色质紧密连接的新见解，挑战了“细胞质DNA传感”的概念。第二个是关于cGAMP作为免疫信号分子的新见解，可以跨细胞传递信号。这些发现对于治疗免疫病理和改善抗癌免疫具有重要意义。 此外，文章还探讨了cGAS途径在识别自身DNA损伤方面的作用，以及在肿瘤免疫和细胞衰老等方面的应用前景。 图片 cGAS的分布 自发现cGAS以来，人们一直认为它是一种细胞质中的PRR（模式识别受体）。由于cGAS没有序列特异性，人们认为其定位在细胞质中对于将cGAS与核DNA隔离开来，防止cGAS-STING途径的异常激活至关重要。 然而，最近的研究发现，大部分cGAS在大多数细胞类型中实际上是定位于细胞核中的，与染色质紧密结合。cGAS的N端对其核定位和富集在着丝粒DNA和长散布核元件（LINEs）上起着关键作用。 尽管cGAS在细胞核中的存在似乎是持续的，但具体的调控因素尚不完全清楚。有研究指出，cGAS的分布可能受到细胞周期的影响，但也有报告称其分布不受周期影响。 核内cGAS紧密地与染色质结合，只有在高盐浓度下才能释放。这种结合与cGAS的DNA结合能力无关，也不需要cGAS的N端。相反，cGAS表面上一组进化上保守的正电荷残基是cGAS与染色质结合所必需的，其中最重要的是人类cGAS中的两个精氨酸残基R236和R255。这些残基的突变导致cGAS从染色质中释放并高度自反应，表明cGAS与染色质的结合抑制了cGAS的活性。 此外，cGAS的N端对与核小体H2A/H2B酸性片区的结合是必需的，这种结合强度超过了cGAS与DNA的结合强度。 这种结合以三种方式抑制了cGAS的激活：1）关键DNA结合残基被重新用于酸性片区的相互作用，从而阻止了DNA结合；2）NCP的立体位阻阻止了cGAS的二聚化，这是激活所必需的；3）位点A无法结合DNA。 在大多数细胞类型中，cGAS同时存在于细胞质和细胞核中，但调节这种分布的因素尚未充分描述。 此外，cGAS的N端可能参与将cGAS招募到细胞质中的质膜。细胞内蛋白质分布的另一种调控机制是核定位序列（NLSs）和核输出序列（NESs）的表达。对于cGAS，存在两个潜在的NLSs（NLS1和NLS2），以及一个可能的NES。NLSs通过importin靶向细胞进行核输入，而NES可能参与激活后从细胞核到细胞质的cGAS转移。尽管如此，cGAS分布的调节机制仍有待进一步研究。 总体而言，关于cGAS分布的调节仍有许多未解之谜，包括cGAS是否可以从核小体中释放，cGAS是否在细胞核和细胞质之间动态转移，以及组蛋白修饰如何影响cGAS在核小体上的结合。 图片 核内cGAS的功能 核内cGAS的功能仍是一个未解之谜。考虑到核内cGAS被紧紧束缚在染色质上，其核固定可能仅仅是用来隔离过剩的cGAS。在这种情况下，核内cGAS永远不会被释放或激活，而是被固定在染色质上，直到被其他方式降解。 但这种解释似乎不太可能，首先，其他与酸性区域有类似亲和力的酸性区域结合蛋白，如RCC1和HMGN2，已知可以从染色质上释放出来。其次，在许多细胞系中，大部分cGAS都与染色质紧密结合，细胞不太可能维持一个大量无活性蛋白的“死路”。 因此，有理由推测在某些条件下，cGAS可能从染色质上释放出来，参与免疫反应。特别是在DNA病毒感染时，可能从染色质上释放或被招募到细胞核来检测复制的病毒DNA。 由于cGAS与核小体酸性区域之间有很高的亲和力，任何激活核内cGAS需要克服与核小体酸性区域的高亲和力。除了直接从核小体上移位之外，cGAS的束缚可能受到cGAS或组蛋白的翻译后修饰（PTMs）的调控（如磷酸化和甲基化），这些修饰可能会诱导构象变化或电荷差异，从而减弱cGAS与核小体之间的相互作用。 尽管PTMs在调控cGAS分布和从核小体上动员的的作用尚不明确，但它们可能是重要的调节机制。未来研究应进一步探讨组蛋白修饰对cGAS与核小体结合的调控作用，以及cGAS在抗病毒和自身免疫反应中的功能。 cGAMP信号传导和调控 cGAMP是由激活的cGAS产生的胞内信使分子，能够激活内质网上的STING，从而启动免疫反应。 2014年，发现了一种可以降解cGAMP的酶，外核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶1（ENPP1），它能切断cGAMP的两个磷酸二酯键，释放出GMP和AMP。然而，ENPP1是一种细胞外酶，其存在暗示了cGAMP可能具有细胞间传递信号的能力。 2019年，通过CRISPR筛选确定了第一个cGAMP导入子SLC19A1，随后又确定了另外两个cGAMP导入子SLC46A2和LRRC8，它们介导了特定细胞类型的cGAMP导入。 2022年，确定了ATP结合盒C亚家族成员1（ABCC1）是一种ATP依赖的cGAMP输出转运蛋白，负责将cGAMP排出细胞。 cGAMP的输出、导入和细胞外降解机制的定义导致了cGAMP被描述为一种可以远程传递信号的免疫信使分子。这为我们对cGAS-cGAMP-STING途径的生物学提供了更深入的理解。 从概念上讲，我们可以将cGAS-cGAMP-STING途径的生物学扩展到一个三细胞模型，其中cGAMP可以从一个细胞产生和输出，通过另一个细胞导入并激活STING进行信号传导，第三个细胞提供降解细胞外cGAMP的ENPP1。 最近，又发现了一个ENPP1旁系同源基因ENPP3，也可以降解细胞外cGAMP。ENPP1和ENPP3具有不同的组织依赖性表达模式，表明它们不是冗余的酶。 此外，还有一种可诱导的cGAMP降解酶SMPDL3A最近被发现，可能在细胞内和细胞发挥作用。 图片 cGAS可以感知自身DNA 在最初对细胞内DNA感知的描述中，科学家们假设DNA传感器可能会错误地检测到自身的DNA，从而引发自身免疫反应。 这种自身DNA可能来自多种类型的DNA损伤，包括内源性和外源性因素。内源性因素包括染色体凝聚缺陷、有丝分裂检查点功能、中心体拷贝数、动粒-微管附着动力学和细胞周期调节导致的染色体不稳定性。此外，微核（MN）的形成，即在后期未整合到子细胞核中的染色体或染色体片段，也可能是cGAS激活的原因。线粒体DNA（mtDNA）的损伤和释放，以及中性粒细胞细胞外陷阱（NETs）的形成，也可能是激活cGAS的来源。 2011年，研究表明，基因组DNA损伤可诱导HeLa细胞和原代人单核细胞产生IFN，这表明DNA损伤与先天免疫反应之间存在联系。此外，基因毒性癌症治疗后的细胞有丝分裂进展也会导致MN和染色质桥的形成，这些过程依赖于cGAS-STING途径。 线粒体功能障碍，如凋亡caspase的丧失、mtDNA凝聚缺陷或线粒体自噬缺陷，也会激活cGAS-STING途径。mtDNA的损伤和释放已被证明在多种疾病中触发cGAS的反应，包括COVID-19和肌萎缩侧索硬化症（ALS）。 AGS（Aicardi-Goutieres综合征）是一种单基因病，由几种不同的基因突变引起，其中一些突变已在小鼠模型中证明会导致cGAS-STING途径的激活。这些基因编码的蛋白，如TREX1、SAMHD1、RNaseH2、LSM11等，参与DNA的修复、包装或转录。AGS患者成纤维细胞中的核cGAS与DNA损伤反应有关，提示这些蛋白质可能通过“屏蔽”cGAS或维持核完整性来调节cGAS。 除了AGS之外，其他疾病如布洛姆综合症和阿泰综合症也提供了对cGAS-STING生物学的新见解。这些疾病中的cGAS激活与基因组不稳定性有关。 除了在DNA损伤的下游被激活外，cGAS-STING途径也被认为在调节和维护DNA损伤反应（DDR）途径中发挥作用。 然而，cGAS-STING信号对DDR途径的结局以及产生这些结果的确切机制仍然存在争议。一些研究表明，通过cGAS-STING途径的信号传导对于防止染色体不稳定性是必需的。相反，一些研究表明，cGAS-STING途径通过抑制同源定向修复（HDR）促进了基因不稳定，而不是抑制。 cGAS促进衰老相关炎症和细胞衰老 近年来，多项研究表明cGAS在衰老细胞和衰老细胞中起着关键的衰老和炎症调节作用。cGAS的丢失会导致小鼠胚胎成纤维细胞的增殖增强和自发永生化，以及失去与分泌相关衰老表型（SASP）相关的衰老标志物，表明cGAS对于由连续传代诱导的衰老至关重要。此外，cGAS对于由DNA损伤、氧化应激以及由癌基因诱导的衰老也是必需的。 衰老是老化的一个标志性特征，cGAS-STING途径通过几种不同的机制在调节由年龄引起的衰老和炎症中发挥着关键作用。衰老伴随着核纤层蛋白B1的丢失和相应的核完整性丧失，这可能导致cGAS的激活。此外，来自包括共济失调性毛细血管扩张症、亨廷顿-吉尔福德早衰综合征（HGPS）和沃纳综合征在内的与衰老相关疾病患者的细胞有证据表明cGAS-STING的激活水平升高。 衰老还与内源性逆转录元件的去抑制相关，长干扰核糖核酸（LINE）元件和人类内源性逆转录病毒K（HERVK），这两种内源性逆转录元件已被证明能够部分通过激活cGAS-STING途径和SASP诱导在人类细胞和小鼠中诱导衰老和炎症。 线粒体功能障碍也与衰老相关。两项最近的研究表明，在衰老细胞中释放到细胞质中的mtDNA激活cGAS-STING途径以促进衰老和神经退行性疾病。 这些研究表明cGAS在衰老和炎症衰老中发挥着关键作用，并指出cGAS-STING途径可能是早衰症和与衰老相关的疾病的潜在治疗靶点。未来的研究应深入调查cGAS-/-和STING-/-小鼠是否对衰老相关疾病具有保护作用，并评估cGAS和STING抑制剂在治疗早衰症和与衰老相关的疾病中的转化潜力。此外，这一功能是否仅限于cGAS，或者其他PRR也可能参与衰老和炎症衰老，这一点尚不清楚。 cGAS激活促进抗肿瘤免疫反应 在肿瘤免疫学的研究中，cGAS-STING途径的发现对于理解肿瘤免疫反应以及开发新的抗肿瘤治疗方法具有重要意义。 cGAS可以在肿瘤发生的关键过程中被激活，例如由内源性DNA损伤、染色体不稳定性和MN（微核）形成，以及由化疗和辐射引起的DNA损伤。这些情况下，异常的DNA片段可以激活cGAS，进而合成cGAMP，激活STING途径。 研究表明，缺乏STING的小鼠支持多种可移植肿瘤模型的加速肿瘤生长，这表明STING在抗肿瘤免疫中起着关键作用。此外，缺乏STING的抗肿瘤免疫力伴随着较弱的肿瘤特异性细胞毒性T细胞反应，进一步强调了STING途径在激活抗肿瘤免疫中的重要性。 有趣的是，肿瘤细胞本身产生的cGAMP对于激活非肿瘤细胞中的STING和驱动抗肿瘤反应是必需的。这意味着肿瘤细胞可以通过合成cGAMP来间接激活周围免疫细胞，从而增强免疫系统的抗肿瘤能力。 还应注意到，增加的染色体不稳定性也与更大的转移潜力相关，在某些情况下，肿瘤中cGAS-STING途径的慢性激活与转移相关。这表明STING途径的激活结果更为复杂，可能既导致肿瘤限制性又促进肿瘤结果。 通过cGAS-STING途径激活先天免疫不仅对导致DNA损伤的癌症治疗重要，而且在检查点阻断的抗肿瘤效果中也发挥作用。在小鼠中，已经证明cGAS和STING对抗PD-L1治疗的抗肿瘤效果是必需的，既在限制肿瘤生长又在招募肿瘤特异性CD8+ T细胞方面发挥作用。这表明这两种途径之间存在直接相互作用，可以用来改善现有的抗肿瘤治疗。 疾病治疗 量的人类遗传证据和鼠模型将cGAS-STING途径与多种人类免疫系统疾病联系起来，包括AGS、家族性冻疮狼疮（FCL）、婴儿期发病的STING相关血管病（SAVI）和系统性红斑狼疮（SLE）的一些病例。STING信号在鼠模型中也被认为与许多疾病有关，包括帕金森病、肌萎缩侧索硬化症（ALS）和Niemann-Pick病等疾病。 这些发现激发了人们对于触发cGAS-STING轴线进行癌症治疗的兴趣。生物技术和制药行业投入了大量资源开发两类药物：cGAS-STING抑制剂和STING激动剂。 基于核cGAS和cGAMP免疫传递功能的范式，可以探索一种新的方法，通过优化和放大内源性信号通路来增强cGAS-STING信号在肿瘤中的作用。这种方法需要四个要素：优化肿瘤细胞中cGAS的激活，增强cGAMP的输出，促进cGAMP的摄取，以及防止cGAMP的降解。 虽然目前这种方法还比较理想化，但利用肿瘤内部的深度数据集和单细胞图谱，可以识别那些肿瘤细胞表达最高的cGAS和ABCC1、那些含有对cGAMP响应最重要的免疫细胞频率最高、那些对ENPP1、ENPP3和SMPDL3A抑制最敏感的肿瘤。 总结 这篇论文主要综述了cGAS-STING细胞内DNA感应途径的最新研究进展。作者重点探讨了cGAS在自身免疫疾病、衰老和癌症免疫中的病理和保护功能，并提出了两个最新的进展： （1）cGAS与核小体紧密结合的发现，对“细胞质DNA感知”的概念提出了质疑。大部分cGAS与核小体紧密结合，抑制其活性，防止其被自身DNA激活。 （2）cGAMP作为一种免疫传递分子，可以在细胞间传递信号，激活STING通路。cGAMP通过特定转运蛋白进出细胞，发挥免疫调节作用。 这些新发现为深入理解cGAS-STING通路的调控机制提供了新的视角，并为利用该途径进行疾病治疗提供了新的思路。论文还展望了未来研究的方向，包括进一步探索cGAS的不同细胞内定位的调控机制，以及开发靶向cGAS-STING途径的药物。 |
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