干扰素基因刺激蛋白在抗病毒感染免疫的机制

Stimulator of Interferon Genes in the Mechanism of Immunity to Antiviral Infection

摘要: 天然免疫也称固有免疫，是免疫系统的一个分支，亦是宿主抵御外界病毒感染的第一道防线。宿主可以通过模式识别受体(Pattern recognition receptors, PRRs)识别病原体相关的分子模式，进而启动抗病毒免疫反应。而干扰素基因刺激蛋白(Stimulator of interferon genes, STING)是固有免疫反应中一个重要分子，其作为下游信号级联反应重要组成部分，诱导I型/III型干扰素等多种免疫细胞因子以及成百上千种干扰素诱导基因(Interferon stimulated gene, ISG)的转录与表达。最终导致一系列炎性因子以及干扰因素的表达和分泌。其中炎性因子能够进一步激活天然免疫细胞，引发炎症反应以及启动适应性免疫应答；而干扰因素在机体中具有抗病毒、抗细菌、抗肿瘤和免疫调节的作用。本文就STING在抗病毒感染免疫调控过程中的作用进行简要综述。

Abstract: Natural immunity, also known as innate immunity, is a branch of the immune system, but also the host against external virus infection of the first line of defense. Pattern recognition receptors (PRRs) recognize pathogen-associated molecular patterns and initiate an antiviral immune response. Stimulator of interferon genes (STING) is an important molecule in innate immune response. As an important part of downstream signaling cascades, it induces the transcription and expression of Interferon stimulated gene (ISG) as well as a variety of immune cytokines such as type I and type III interferon. Finally, a series of inflammatory factors and interference factors are expressed and se-creted. Inflammatory factors can further activate natural immune cells, trigger inflammatory re-sponses and initiate adaptive immune responses. Interference factors in the body have antiviral, anti-bacterial, anti-tumor and immunomodulatory effects. This paper briefly reviews the role of STING in immune regulation of antiviral infection.

1. 引言

天然免疫是免疫系统的一个重要分支，其通过识别病原体的一般特征，在宿主机体免疫防御中起着重要作用。STING是宿主固有免疫的信号转导过程中的重要组成成份。

2. STING的结构和激活机制

2008~2009年，几个不同的研究团队分别报道了STING作为关键接头蛋白在病毒诱导的天然免疫信号通路中扮演重要角色 [1] [2] [3]，其广泛参与宿主体内的多种信号传导过程。STING的N端大约包括130个氨基酸，由4个跨膜区组成，将STING 锚定在内质网上。STING的C端包括250个氨基酸，组成一个球型的C端结构域，C端结构域位于细胞质中，它的结构已被解析出来 [4]，STING蛋白是一种跨膜蛋白，静息时位于内质网上，是调节固有免疫的关键因子。而且STING是一种已知的环二核苷酸(Cyclic dinucleotide, CDN)传感器 [5] [6]。当STING没有结合CDN时其会处于静息状态，呈现蝴蝶状二聚体的形式，其处于自抑制失活状态；当STING活化时，一个环二核苷酸分子可以通过广泛的疏水相互作用以及氢键结合至 STING二聚体的中心缝隙处 [4]，STING的这种构象改变之后，便于与TANK激酶1 (TANK-binding kinase 1, TBK1)结合形成STING-TBK1复合体，从而允许TBK1磷酸化STING，其对于干扰素调节因子3 (Interferon regulatory factor 3, IRF3)的激活是非常必要的 [7]，而磷酸化的IRF3形成二聚体转移至细胞核内与下游信号蛋白结合，进而诱导1型干扰素(Type I interferon, IFN-I)的产生，最终激活宿主固有免疫反应来抵御外来病原体的入侵 [8] [9]。

3. STING在抗病毒感染免疫中的作用

当病毒等入侵宿主时，根据基因组的特点和复制方式的不同，病原体的遗传物质DNA或RNA即病原微生物的重要成分即病原相关分子模式(Pathogen-associated molecular patterns, PAMP)被PRRs识别，而目前PRRs,包括Toll样受体、RIG-I样受体、NOD样受体和多种DNA受体等，并通过不同的途径激活环GMP-AMP合酶(Cyclic guanosine monophosphate-adenosine monophosphate synthase，或cGMP-AMP synthase，cGAS)，使其利用三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate, ATP)、三磷酸鸟苷(Guanosine triphosphate, GTP)生成2'-5'和3'-5'磷酸二酯键 [10] [11]，最终合成的2'-3'-环鸟苷-腺苷单磷酸(2'-3'-Cyclic Guanosine monophosphate-Adenosine monophosphate, 2'-3'-cGAMP)是内质网膜上接头蛋白——STING的高亲和配体。其再作用STING，使其通过二聚化、磷酸化等方式发生构象改变，招募下游的TBK1，进而从内质网转移至高尔基体，使IRF3磷酸化并向细胞核周围转移，促进IFN-α、IFN-β和白介素2、白介素12等细胞因子的产生及T细胞和B细胞的增殖分化，进而启动适应性免疫应答 [12] [13]。最新研究显示，STING通过与病毒蛋白相互作用或被病毒蛋白特异性切割等方式影响病毒的复制，参与宿主的抗感染免疫过程。

3.1. STING在抗DNA病毒感染免疫中的作用

当DNA病毒入侵宿主时，宿主主要是通过cGAS-cGAMP-STING途径胞质DNA传感和信号转导来启动适应性免疫应答。来源于DNA病毒、细菌以及自身损伤细胞的DNA能够被胞质内的DNA受体识别，而cGAS作为一个广谱分胞质DNA受体。当其与双链DNA结合时会触发构象变化，从而诱导该酶的催化活性，该酶将ATP和GTP转化为第二个环状信使，称为cGAMP。与具有磷酸二酯键的其他组合的cGAMP分子相比，它以高亲和力与STING结合 [4] [14]。从而实现STING寡聚和易位 [15]，它能够使相邻的TBK1分子进行反式自磷酸化以及IRF3磷酸化激活核因子-κB (nuclear factor kappa-B, NF-κB)信号通路，最终诱导IFN-I及下游基因的表达，从而发挥抗病毒作用 [16] [17] [18]。研究表明核苷酸结合寡聚结构域样受体家族成员X1 (Member X1 of the nucleotide binding oligomer domain-like receptor family, NLRX1)螯合剂使STING负调节干扰素反应，从而促进DNA病毒的复制，如NLRC3最近已通过干扰STING易位和STING-TBK1的结合而被鉴定为STING功能的抑制剂 [19]。鼠巨细胞病毒的M152蛋白对STING相关的IRF和NF-κB活化具有明显的影响。M152特异性抑制cGAS-STING诱导的干扰素β水平和启动子活性，但对NF-κB信号传导的影响可忽略不计 [20]。人类巨细胞病毒会产生许多蛋白质，一种这样的蛋白质是pp65，pp65通过其N末端结构域直接与cGAS结合，并阻止了cGAMP的酶促产生，从而阻断cGAS-STING途径信号转导 [21]。

3.2. STING在抗RNA病毒感染免疫中的作用

STING不仅识别病毒DNA，在病毒RNA引起的先天免疫反应中也发挥重要作用。当RNA病毒侵入宿主时，其主要是通过是PRR对PAMP的识别。RNA病毒通过两种不同的识别机制与STING相互作用，主要被两类PRR识别，位于内体上的Toll样受体和视黄酸诱导基因I (Retinoic acid inducible gene-I, IRIG-I)和黑素瘤分化相关基因5 (Melanoma differentiation associated gene-5, MDA-5)，其中RIG-1和MDA-5是胞内病毒RNA的主要受体蛋白。RIG-1和MDA-5感知细胞质病毒双链RNA复制中间体，并与线粒体抗病毒信号蛋白(Mitochondrial antiviral signaling protein, MAVS)和诱导线粒体膜上的IFN-β共同激活IRF-3 [21] [22] [23]。活化后MAVS招募下游的信号分子 [24]。使TBK1和IRF3磷酸化并诱导IFN-I的产生；另一种是DNA传感器cGAS已通过一种尚未确定的机制与正义RNA病毒的传感相关联。在这种情况下，cGAS在检测到RNA病毒感染后产生了信使分子cGAMP，并且cGAMP结合并激活了STING [25]。登革热病毒的非结构蛋白3 (Non-structural protein, NS3)及其辅因子组成的病毒蛋白酶，它们也共同负责裂解病毒多蛋白 [26]，作为I型干扰素产生的拮抗剂 [27]。例如聚(dA:dT)刺激STING信号转导时，STING与NS3以及其辅助因子的结合，共定位和切割作用会增强 [28]。丙型肝炎病毒(Hepatitis C virus, HCV)属于黄病毒科家族中的肝炎病毒属，仅与迄今为止讨论的黄病毒有很远的联系 [29]。HCV拮抗STING的机制主要是NS3蛋白酶的独特和累加机制，可通过RIG-1和STING阻断IFN的诱导。其中NS3蛋白酶通过切割MAVS在RIG-I上诱导IFN-I残基508 [30]，而NS3的辅助因子抑制IFN-β的聚(dA:dT)处理或STING，MAVS或RIG-1的过表达刺激了IRF-3的产生和IRF-3磷酸化 [31]。冠状病毒是最大的RNA病毒，冠状病毒具有逃避宿主先天免疫反应的多种机制，其中重度急性呼吸综合征冠状病毒通过其木瓜样蛋白与STING相互作用，以防止其二聚化并与IRF-3的激活和核转运所需的其他信号分子缔合 [32]。猪冠状病毒流行性腹泻病毒的蛋白脂质蛋白2蛋白也已显示出可抑制IFN-β启动子和IRF-3依赖的报告基因的STING依赖性激活，并且在蛋白脂质蛋白2蛋白过表达实验中也与STING共同免疫沉淀，并减少了K36多聚泛素链对STING的修饰 [33]。

3.3. STING在抗逆转录感染免疫中的作用

人类免疫缺陷病毒(Human immunodeficiency virus, HIV)等逆转录病毒在感染细胞后产生的DNA-RNA杂交中间体和双链DNA，可激活cGAS/IFI16-STING 通路。NLRX1是一种负性调节先天免疫力的NLR蛋白，先前已在HIV感染所需的无偏siRNA筛选中鉴定出来。我们发现NLRX1耗竭导致人类单核细胞中HIV-1 DNA的核输入受损。此外，观察到NLRX1减少了对HIV-1逆转录DNA的反应，可降低IFN-I和细胞因子。并且NLRX1从与TBK1的相互作用中隔离了DNA传感衔接子STING，从而破坏STING和TBK1的相互作用，抑制STING 的磷酸化和下游信号传导 [13]。在CD4⁺ T细胞中，HIV的病毒蛋白r诱导STING表达，启动STING介导的IFN信号通路，而HIV病毒蛋白u则发挥相反作用，是导致机体免疫力下降的原因之一 [34]。

4. 展望

对STING功能调控机制的研究使人们对STING有了更为深入的了解。为产生有效的免疫应答和清除体内的病原微生物，同时避免因过度免疫而导致自身免疫性疾病，IFN-1产生通路中的核心成员STING受到高度精细地调节。各种病毒在感染宿主过程中，不断进化出各种策略拮抗宿主的先天性免疫反应。深入研究不同病毒逃逸机体先天性免疫机制，一方面有利于解析病毒的致病机理，从而开发有效的疫苗和药物，针对已发现的分子和机制提出诊治相关疾病的新思路；另一方面有助于全面透彻理解宿主的先天性免疫反应。这两方面的研究将有助于更全面地认识STING在固有免疫应答中的作用及其分子机制，为认识宿主–病原体的相互作用、探索自身免疫性疾病发病机制和寻找新的治疗靶点提供理论依据。cGAS-cGAMP-STING信号通路的发现和研究使人们对细胞感应、识别外源DNA从而诱导产生相应分子抑制外源微生物感染的机制有了更为全面和深入的理解和认识。虽然，关于该方面的研究不断取得重要进展，但是仍有很多科学问题有待进一步阐释。诸如，信号通路不仅可识别病毒DNA，还可识别自身DNA。但是，目前尚不清楚cGAS在细胞核中如何区分染色体DNA和与感染相关的DNA，进而阻止对自身DNA的识别。

NOTES

^*通讯作者Email: [e-mail]