cGAS-cGAMP-STING信号通路研究进展

吴晓霞，吕颂雅

（武汉大学生命科学学院，湖北武汉 430072）

1 胞质DNA受体

病原体入侵机体后，产生高度保守的病原相关分 子 模 式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs），能被宿主模式识别受体（pattern-recognition receptors，PRRs）特 异性 识 别[1]。PRRs包 括 Toll样 受 体（Toll like receptors，TLRs)、RIG-I样 受 体（RIG-I like receptors，RLRs）、Nod样 受 体（Nod like receptors，NLRs）和DNA受体。PRRs将识别的PAMPs进行相应的信号转导和级联放大，最终激活Ⅰ型干扰素、炎症因子和趋化因子等的表达，从而抑制病原体的复制和扩散，并最终清除病原体。

目前，已经鉴定出至少10种胞质DNA受体。根据这些DNA受体是否依赖接头蛋白STING传递下游信号，可分为依赖STING型和非依赖STING型的胞质DNA受体。其中，依赖STING的DNA受体有cGAS、IFI16、DAI和DDX41等，非依赖STING的DNA受体包括AIM2、HMGBs和RNA pol Ⅲ等。目前，最受认可的DNA受体是James Chen实验室鉴定出的胞质DNA受体cGAS[2]。本文将重点介绍cGAS-cGAMPSTING介导的I型干扰素信号转导过程。

1.1 cGAS和cGAMP的发现

2013年，James Chen课题组发现病毒感染的细胞内存在能激活细胞产生Ⅰ型干扰素的物质，并利用质谱技术证明了该物质是环鸟嘌呤腺嘌呤（Cyclic GMPAMP，cGAMP）。 有 趣 的 是，cGAMP能 够与STING结合从而活化I型干扰素信号通路[3]。随后，他们通过生物纯化和质谱技术鉴定出能够合成cGAMP的酶——cGAS。cGAS能够作为广谱的胞质DNA受体[4]。

cGAS属于核苷酸转移酶家族成员，分子量为60kD。生物信息学分析显示，cGAS由N端的DNA结合区，中间段保守的核苷酸转移酶基序和C端Mab21结构域组成，其结构如图1所示。

图1 cGAS结构示意图

cGAMP包含两个特殊的磷酸键，分别为2’5’磷酸键和3’5’磷酸键，二者均由3’5’磷酸键连接[5]。最近的一些研究逐渐揭示了2’3’cGAMP在cGAS-cGAMP-STING信号通路转导中的独特优势，这些优势主要体现在天然存在的STING变体（R232H）只对2’3’cGAMP响应，而不响应普通的二聚核苷酸c-di-GMP和cGAMP。而野生型的STING（R232），虽然对2’3’cGAMP和c-di-GMP都响应，但是对2’3’cGAMP的亲和性更高[6-7]。

1.2 STING的发现

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[8-10]。STING又称MITA、ERIS或MPYS，含379个氨基酸，由包含4次跨膜结构的N端结构域和C端结构域（C-terminal domain,CTD）组成，其结构如图2所示。静息状态下，STING定位于内质网膜和线粒体外膜上，C端游离于细胞质中，其羧基端尾巴（C-terminal tail, CTT）与CTD相结合使STING处于抑制状态。

图2 STING结构示意图

STING在DNA病毒诱导的天然免疫信号通路中发挥关键作用。Barber等人发现，STING敲除的小鼠对HSV-1感染引起的死亡更加敏感。此外，在sting基因敲除的小鼠细胞中，HSV-1感染以及核酸模拟物刺激诱导的Ⅰ型干扰素的产生几乎消失[10]。

1.3 cGAS-cGAMP-STING介导的Ⅰ型干扰素信号通路

cGAS以STING依赖的方式诱导IFNβ的产生。在L929细胞中敲低STING的表达能阻断cGAS激活Ⅰ型干扰素，但敲低cGAS的表达不影响STING诱导的Ⅰ型干扰素的表达[4]。

cGAS-cGAMP-STING介导的胞质DNA识别模式如图3所示，当DNA病毒感染细胞后，释放到细胞质内的DNA会被胞浆DNA受体cGAS识别。cGAS识别dsDNA后，合成第二信使cGAMP，cGAMP与二聚化的STING结合，导致STING的CTT-CTD分离，进而活化STING。活化后的STING从内质网经高尔基体迁移至细胞核周围的点状膜结构上。在该处，STING作为支架蛋白，进一步招募TBK1和IRF3，促使TBK1磷酸化IRF3，磷酸化的IRF3入核，诱导Ⅰ型干扰素的产生。

1.4 STING介导的Ⅰ型干扰素信号通路的调控

STING介导的信号通路的过度激活会诱发自身免疫性疾病，如系统性红斑狼疮[11]。因此，STING介导的信号通路的活化必须受到严格的调控。

STING的磷酸化和泛素化对其活性的调控至关重要。TBK1介导STING的Ser358和366的磷酸化是STING信号转导的关键[8]。STING的Ser36能被ULK1磷酸化，从而促进STING的降解[12]。TRIM30通过催化STING的K275位点发生K48连接的泛素化修饰，导致STING发生蛋白酶体途径的降解[13]；TRIM56介导STING形成K63连接的泛素链有助于STING的二聚化[14]。

图3 cGAS-cGAMP-STING介导的胞质DNA识别模式图

2 总结

cGAS-cGAMP-STING介导的Ⅰ型干扰素信号通路是天然免疫领域的重大发现。当DNA病毒感染细胞后，释放到细质内的病毒DNA会被DNA受体cGAS识别并合成第二信使cGAMP, cGAMP与二聚化的STING结合，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，最终诱导I型干扰素及下游基因的表达，发挥抗病毒作用。对该信号通路的研究，将有助于加深对DNA病毒感染诱导的Ⅰ型干扰素激活机制的理解，并为自身免疫性疾病以及肿瘤免疫的药物设计提供理论基础。

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