Cell：STING状态转换的结构基础

来源：BioArt

cGAS-STING（the stimulator of interferon genes）通路能够感知细胞内的dsDNA，激活干扰素基因的表达，保护机体抵抗感染。一旦感知到dsDNA，c-GAS（cyclic-GMP-AMP-synthase）催化GTP和ATP形成第二信使2’3’-cyclic-GMP-AMP(cGAMP)。cGAMP结合并激活位于内质网膜的受体STING，活化的STING招募TBK1和IRF-3，导致IRF-3磷酸化。磷酸化的IRF-3二聚体入核，诱导I型干扰素的表达和分泌。

STING通路在抗病毒、抗细菌及抗肿瘤免疫中有重要作用。STING缺失的小鼠对DNA病毒和逆转录病毒如HIV等更易感。瘤内注射STING的激动剂对多种小鼠肿瘤模型有显著的治疗效果，其中两项相关临床试验（NCT03172936和NCT03010176）已经开展。与此相对，STING通路的过度激活参与系统性红斑狼疮SLE、多发性硬化MS等多种自身免疫疾病的病理过程，同时参与心肌梗塞的急性炎症和肝脏疾病、胰腺炎中的慢性炎症反应。而且，STING中的6个点突变被报道导致STING过度活化，造成婴儿期发生自体免疫综合症STING相关的血管病（SAVI）【1】。然而，STING如何被配体激活，STING如何保证对dsDNA的反应的同时不导致自身免疫疾病，这些问题还有待进一步的研究。

近日，来自美国斯坦福大学的Lingyin Li教授在Cell杂志上发表文章 STING Polymer Structure Reveals Mechanisms for Activation, Hyperactivation, and Inhibition 。研究利用结构生物学和生物化学的手段揭示了cGAMP结合促进STING同源二聚体的形成并释放C端结构域。STING的C端尾巴是形成多聚化的界面，通过氨基酸C148的二硫键连接形成低聚体，导致STING活化。疾病相关的突变通过影响C端的开放和多聚化过程，使STING处于过度活化的状态。细菌的CDG（cyclic-di-GMP）诱导apo STING发生构象改变，以合作的方式活化，部分拮抗cGAMP的信号通路。

环二核苷酸（cyclic dinucleotide，CDN）cGAMP是已知的STING的配体，非常高效地激活STING。其他CDN如CDG（cyclic-di-GMP）和CDA（cyclic-di-AMP）是细菌中普遍的信号分子，能够激活小鼠中的STING通路【2,3】。但小鼠和人源STING对配体的选择性非常不同，作者探索了cGAMP、CDA和STING的结合。他们分别获得了cGAMP和CDA直接结合STING的晶体。研究表明cGAMP和CDA均能导致人源STING形成二聚体闭合结构，其角度与小鼠STING类似，CDA和人源STING的直接结合属首次发现。

配体的结合导致位于STING聚合，但STING如何聚合以及聚合的STING如何活化？研究发现，STING的低聚体形成不需要翻译后修饰后，作者推测其聚化发生在内质网上，在运输到高尔基体之前。因此作者进一步鉴定了获得的STING晶体晶格排布，发现聚合的STING的N端在同一平面上形成线性多聚体，可通过跨膜结构域锚定在内质网膜上。而apo STING二聚体则以“头对头”“尾对尾”的形式存在，不利于定位到膜上。之前的假说认为，STING的胞质结构域可以结合其C端尾巴（C-terminal tail，CTT），配体的结合释放CTT，CTT的释放被认为促进STING的聚合。作者发现纯化的STING-ΔCTT极易聚合，没有配体结合依然形成聚合体，呈核周点状分布在细胞中。这个证据表明未激活的情况下，CTT可结合STING的低聚化作用界面，从而抑制STING的聚合，实现自抑制。共沉淀实验证明CTT和STING-ΔCTT的相互作用，cGAMP的结合促进CTT的释放。过表达CTT抑制STING的运输及下游IRF-3的磷酸化、IFN-β的表达。

STING的聚合在有还原剂DTT的溶液中不能形成【4】，研究团队对这一现象进行深入调查。他们发现配体的结合使两个STING分子的胞内结构域部分形成二硫键，稳定STING多聚体。其中位于配体结合结构域和跨膜结构域的连接区域的C148，对二硫键的形成至关重要。cGAMP能够诱导STING形成二硫键，C148在cGAMP结合的STING间形成二硫键，形成二聚体间的交联，促使STING聚合体活化；但突变STING-C148A则阻断了STING的活化过程。其中，SAVI诱发的STING突变V147L、N154S、V155M位于C148附近，能够导致STING过度活化，其中V147L、N154S的作用依赖于C148。

总的来说，此项工作研究了正常情况和病理条件下，STING的聚合过程及活化过程中的构象变化，同时阐释了细菌CDG抑制cGAMP-STING的机制，为研究和靶向STING通路提供了新的思路。其中C148二硫键的形成促进了STING多聚化的发现为进一步研究cGAS-STING通路的调控提供了新的方向；而C148二硫键也需要更多细胞原位实验证据的支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.05.036

参考文献

1. Saldanha, R. G. et al. A Mutation Outside the Dimerization Domain Causing Atypical STING-Associated Vasculopathy With Onset in Infancy. Front. Immunol. 9, 1535, doi:10.3389/fimmu.2018.01535 (2018).

2. Chin, K. H. et al. Novel c-di-GMP recognition modes of the mouse innate immune adaptor protein STING. Acta Crystallogr. D Biol. Crystallogr. 69, 352-366, doi:10.1107/S0907444912047269 (2013).

3. Jin, L. et al. MPYS is required for IFN response factor 3 activation and type I IFN production in the response of cultured phagocytes to bacterial second messengers cyclic-di-AMP and cyclic-di-GMP. J. Immunol. 187, 2595-2601, doi:10.4049/jimmunol.1100088 (2011).

4. Li, Z. et al. PPM1A regulates antiviral signaling by antagonizing TBK1-mediated STING phosphorylation and aggregation. PLoS Pathog. 11, e1004783, doi:10.1371/journal.ppat.1004783 (2015).