禽类先天免疫cGAS-STING通路的研究进展_郑健培.pdf

福建畜牧兽医第45卷第1期2023年禽类先天免疫 cGAS-STING 通路的研究进展郑健培1李兆龙2*（1.福建省天然免疫生物学重点实验室/福建师范大学南方生物医学研究中心福州350117；2.福建省农业科学院畜牧兽医研究所福州350013）摘要cGAS-STING信号途径介导的型干扰素信号通路是天然免疫领域研究的重大发现。禽类等动物的免疫系统利用cGAS-STING信号通路来识别并触发对病原体入侵感染的先天免疫反应。目前对于大部分禽类cGAS-STING这条通路还尚未研究透彻，该综述就目前的研究进展对禽类尤其是鸡的cGAS和STING在先天免疫中的功能作简要介绍。关键词禽类环鸟腺苷酸合成酶（cGAS）干扰素基因刺激蛋白（STING）文献标识码：A文章编号：1003-4331（2023）01-0028-04Advances in the study of the cGAS-STING pathway in avianZheng Jianpei1Li Zhaolong2*(1.Fujian Key Laboratory of Innate Immune Biology/Biomedical Research Center of South China,Fujian Normal University,Fuzhou350117;2.Institute of Animal Husbandry and Veterinary Medicine,Fujian Academy of Agricultural Sciences,Fuzhou 350013)Abstract The type I interferon signaling route mediated by the cGAS-STING signaling pathway is a significant discovery in the fieldof natural immunity research.The cGAS-STING signaling pathway is used by the immune systems of animals like as birds to recognizeand initiate an innate immune response to pathogen invasive infection.However,the cGAS-STING pathway has not been well studiedin most avian species,so this review provides a brief overview of the current research progress on the functions of cGAS and STING ininnate immunity in avian species,especially in chickens.Key words Avian cGAS STING1cGAS-STING概述1.1cGAS-STING通路介绍天然免疫系统是人体抵抗病原入侵的第一道防线，来源于DNA病毒、RNA病毒、细菌以及自身损伤细胞的DNA都能够被胞质内的DNA和RNA传感器识别，激活宿主产生炎症反应以及诱导产生型干扰素（type I inter-feron，IFN-I）和其它免疫因子。RNA传感器有Nod样受体蛋白1（NOD-like receptor thermal proteindomain associated protein 1，NLRP1）1、视黄酸诱导型基因I（retinoic acid-inducible gene I，RIG-1）、黑色素瘤分化相关抗原5（melanoma differentiation-as-sociated gene 5，MDA5）等多个蛋白2。目前已发现的DNA传感器主要有Toll样受体9（toll like receptor9，TLR9）、炎性小体（absent in melanoma 2，AIM2）、环 鸟腺苷酸合 成酶（cyclic-GMP-AMP synthase，cGAS）等多个蛋白，其中TLR9定位在内体小泡膜上并主要负责探测胞外的游离DNA；AIM2、cGAS则是定位在细胞质中并探测胞内的DNA3。在上述三个DNA传感器中，cGAS的功能最为重要。cGAS在识别双链DNA之后可以激活下游干扰素基因刺激蛋白（stimulator of interferon genes，STING），STING是IFNs生成过程中的中心蛋白，它主要在免疫相关的胸腺、心、脾、胎盘、肺及外周血白细胞等组织细胞中高表达，在细胞中通常以二聚体的形式存在。聚合后的STING蛋白处于非激活状态，当受到环磷酸鸟苷（cyclic guanosine monophosphate，cGAMP）、环 二鸟苷酸（cyclic diguanylate，c-di-GMP）等环状核苷酸分子的刺激后，由于构型发生变化而被激活。激活的STING构象发生改变并进一步激活下游的TANK结合激酶1（TANK-binding kinase 1，TBK1）以及转录因子IFN调节因子3（interferon regulatory Factor 3，IRF3），被磷酸化修饰的IRF3在此过程中发生聚合形成二聚体，并向核内转移进而诱导产生IFN-I。除IRF3外，STING蛋白还能通过NF-B途径促进下游肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）、IL-6等免疫因子的合成4，见图1。1.2cGAS-STING通路的起源动物中cGAS-STING通路的起源尚不明确，对此科学界提出了一种假设，即原核生物首先进化出抵抗噬菌体的防御手段，随后被古代的真核生物所继承，并奠定真核生物原始先天免疫系统的基础。研究发现原核生物中cGAS信号传导具有与真核生物相似的抗病毒作用，作者简介：郑健培，硕士研究生。*通信作者：李兆龙，男。副研究员、博士，主要从事畜禽肠道微 生 物 及 分 子 育 种 的 研 究，E-mail:lizhao-。28福建畜牧兽医第45卷第1期2023年它们对细菌信号核苷酸进行了系统的生化筛选，发现了一个广泛的cGAS/DncV类核苷酸转移酶家族（cGAS/DncV-likenucleotidyltransferases，CD-NTases），它们使用嘌呤和嘧啶核苷酸来合成异常多样化的环二核苷酸（cyclic dinucleotides，CDN），这是一种基于CDN的抗噬菌体信号系统5。细菌中的cGAS样蛋白可以产生多种类型的CDN以及环状寡核苷酸分子6。该系统由类似cGAS的酶和称为效应器的下游蛋白质组成，它们在细菌被噬菌体感染时将细菌杀死或抑制其生长，从而阻止噬菌体扩散。该系统中的效应蛋白有很多类型，其中一些含有类似STING的氨基酸残基序列7，这增加了细菌中具有完整的cGAS-STING途径的可能性。有研究通过对细菌STING蛋白晶体结构的分析，解释了STING依赖性信号传导的机制，并发现细菌中的类似STING蛋白的结构和人等动物的STING蛋白相似8。说明STING蛋白起源于细菌，然后才被多细胞动物-后生动物祖先获得。越来越多的证据表明，动物先天免疫系统的重要组成部分在细菌免疫系统中均具有对应的部分。表明cGAS-STING通路传导的每个核心蛋白成分均来自原核生物的噬菌体防御机制。2cGAS-STING在禽类中的功能自cGAS-cGAMP-STING通路被发现以来，它在人类等哺乳动物中得到了广泛的研究，但cGAS-STING通路在畜禽中的信号传导也有很多报道，但是否存在物种特异性还不清楚。以下简要概述cGAS-STING在禽类先天免疫通路中的功能。2.1cGAScGAS属于核苷酸转移酶家族，在多个物种中表达并发挥功能9。在鸡中cGAS能识别病毒的感染，起到抗病毒作用。鸡cGAS（chcGAS）有438个氨基酸，其预测结构与人类cGAS高度相似。chcGAS与人类cGAS的同源性为48.5%10。chcGASmRNA在鸡的各种组织中表达，如法氏囊、胸腺、脾脏、肺和骨髓，其中以骨髓中的表达量最高11。亚细胞定位试验表明，chcGAS不定位在线粒体、溶酶体或高尔基体，而分布在细胞膜上，并与内质网（endo-plasmic reticulum，ER）部分共定位11。鸡身上的DNA传感器还没有得到太多的研究，chcGAS仍然没有完全被解释。与哺乳动物相比，鸡的先天免疫系统有缺陷。目前已知鸡拥有一个N端删除的cGAS基因，且一些关键的先天免疫基因如RIG-I、Toll样受体8（toll like receptor 8，TLR8）、AIM2，因为DNA的插入、基因部分缺失或基因全部缺失而失活12。鸡与哺乳动物的DNA感知通路具有明显的物种特异性。例如，鸡和其它鸟类（如鸭和鹅）没有TLR9，而是有一个名为TLR21的功能同源物，其氨基酸序列与哺乳动物TLR9几乎没有相似之处13。chcGAS对来自病毒感染或dsDNA转染的外源DNA以及DNA损伤后的内源dsDNA有反应10。chcGAS的过量表达能诱导IFN-和IL-1 mRNA的表达，其方式依赖于chSTING、chTBK1和chIRF711。通过DNA病毒感染（如HSV-1和FAdV-4）敲除chcGAS的细胞发现，IFN-和IL-1 mRNA的表达减少了，且病毒的复制能力增强了11，说明chcGAS对于鸡先天免疫中抗病毒作用至关重要。还有证据表明，chcGAS和鸡的STING（chSTING）参与了禽类的抗病毒防御，特别是在成纤维细胞中抵抗马立克氏病病毒（MDV）和鸡腺病毒4（FAdV-4）的侵染11,14。在哺乳动物和鸟类中，巨噬细胞作为主要的抗原呈递细胞（antigen-presenting cells，APC），是适应性免疫的关键调节者。Oliveira等利用CRISPR/Cas9敲除鸡的巨噬细胞HD11细胞的cGAS和STING以及通过使用STING和TBK1的抑制剂，证明鸡巨噬细胞中有cGAS-STING-TBK1途径的存在，巨噬细胞中的cGAS-STING信号可以增强特定免疫识别分子的转录，包括编码第二类主要组织相容性复合体（major histocompatibility complex-II，MHC-II）和共刺激蛋白的基因，且不改变吞噬作用15。2.2STINGSTING是cGAS-STING通路重要的中间受体，它促进了针对DNA和DNA病毒感染的先天免疫信号16。进一步的研究表明，STING作为多种DNA传感器下游不可缺少的适应体发挥作用17-19。鸡STING（chSTING）有379个氨基酸，含有高度保守的TMEM173结构域（a50-342）20。序列比对显示，chSTING与人类STING大约有43%的相同图1cGAS-STING信号通路29福建畜牧兽医第45卷第1期2023年之处21。chSTING mRNA在鸡的组织中广泛表达，特别是在脾脏中表达量最高21。与人类同源物相似，chSTING也主要定位于ER的外膜以及线粒体膜21。chSTING在启动鸡对病毒感染的先天免疫反应中具有重要作用。chSTING在鸡成纤维细胞（DF-1）中的过表达激活了IRF-7和NF-B，引发IFN-以及IFN刺激基因（Interferon-stimulated genes，ISGs）的表达。chSTING过表达后，促炎症细胞因子mRNA也被上调21。chSTING可以抑制新城疫病毒（NDV）和禽流感病毒（AIV）的复制，并激活IRF-7和NF-B以诱导I型IFN的产生，推断可能是通过参与鸡细胞的MDA5-STING-IFN-信号传导途径21。此外，将chSTING转染到DF-1细胞可抑制AIV和NDV的复制，而敲除chSTING可抑制外源DNA和dsRNA如Poly（dA:dT）和Poly（I:C）引