研究发现STING蛋白相分离调节天然免疫

立方膜结构（Cubic membranes）是哥伦比亚大学的Pappas和Brandt于1959年在变形虫细胞中最先观察到的由线粒体膜形成的三维周期性膜立方相结构。此后60多年有数百篇的文章报道类似的立方膜结构几乎存在于所有生命体的各种细胞中，并可以从任何一种细胞膜变化而来。如蓝藻类囊体膜、植物韧皮部立方膜。动物细胞中，立方膜经常出现在病理（感染、肿瘤及自身免疫病）条件下，如各种病原微生物感染诱导不同细胞器膜产生立方膜，其中内质网立方膜结构长期被作为激活cGAS-STING通路的乙肝病毒HBV或艾滋病毒HIV感染的病理学标志。尤其令人大惑不解的是，大量临床研究发现绝大多数艾滋病患者的淋巴细胞内存在内质网立方膜。然而，至今为止人们对这些奇异膜结构产生的原因和功能几乎一无所知。与此相关的奇特现象是：由于该类结构被不同研究者在不同细胞的不同细胞器膜发现，它们的起因和功能又都未知，因此有超过130种不同的命名。

cGAS是胞质内的双链DNA或Mn2+受体，还是一个二核苷酸环化酶。被DNA和/或Mn2+激活的cGAS合成第二信使2'3'-cGAMP，后者进一步激活STING（MITA/ERIS），最终激活机体的抗病毒天然免疫反应；而Mn2+单独激活的cGAS以一种效率更高的路径合成2'3'-cGAMP。STING是分布于内质网的4次跨膜蛋白，与2'3'-cGAMP结合后需要发生转运，离开内质网经高尔基体到高尔基体来源的小膜泡。STING活化为什么需要这种高尔基体的转运一直很不清楚。最近北京大学蒋争凡实验室通过基于STING过度活化导致细胞死亡而进行的全基因组CRISPR/Cas9筛选，发现高尔基内合成的硫酸化糖胺聚糖是STING的共配体（coligands），对STING-TBK1的多聚化及活化至关重要（Fang et al.， 2021， Immunity）。重要的是，cGAS也会被泄露到细胞质的自身DNA或者细胞内累积的Mn2+激活，在抗肿瘤免疫，自身免疫病，细胞损伤及衰老等过程中发挥重要作用。Mn2+和PD-1抗体联合使用的“锰免疗法”可显着增强PD-1抗体的肿瘤治疗效果。类似的Mn2+通过激活cGAS-STING通路促进肿瘤治疗的方法也被国内外多个实验室所发现或证实。

目前蛋白质相分离的研究大都集中在可溶性蛋白；而相分离参与天然免疫调节的研究刚刚开始，仅有的两个报道发现cGAS与DNA结合后导致cGAS蛋白相分离。生命科学学院/北大-清华生命科学联合中心蒋争凡实验室在Nature Cell Biology上以Research Article形式在线发表了他们在天然免疫及蛋白质相分离领域的最新成果“The STING Phase-Separator Suppresses Innate Immune Signaling”。本研究工作发现在DNA病毒感染后期的细胞内可观察到未进行高尔基体转运的STING蛋白在内质网膜形成不少有高度液滴性质的凝集体，非常类似于可溶性蛋白的相分离液滴。更令人惊奇的是，光镜-电镜联合技术并结合免疫电镜显示STING蛋白形成的凝集体是一个由内质网膜形成的、高度特化的内部像拼图样（Puzzle-like）的膜结构；三维重组显示在细胞核周围形成“蜂窝状”的“类细胞器”样结构，非常类似于艾滋病患者淋巴细胞中广泛存在的内质网“立方膜结构”。他们利用纯化STING全长蛋白在体外重建了相分离体系，并进行了一系列的机制研究。发现超过一定浓度（阈值）的2'3'-cGAMP可以强烈诱导STING蛋白发生相分离；而Mn2+可显着降低所需的2'3'-cGAMP浓度。细胞质中，病毒感染后活化的cGAS持续性地产生并且累积2'3'-cGAMP，而目前尚没有发现细胞质内特异性降解2'3'-cGAMP的磷酸酯酶。这些结果提示：细胞内适度水平的2'3'-cGAMP会诱导STING转运至高尔基体并发生抗病毒天然免疫通路的活化；而在病毒感染后期，细胞内过度累积的2'3'-cGAMP则能够诱导留存在内质网、没有被活化的STING蛋白发生相分离。后续的实验结果提示STING相分离产生的内质网膜“立方膜结构”可能通过在空间上将STING-TBK1与关键转录因子IRF3进行“隔离”，进而负调节cGAS-STING通路。因此，这个由细胞内高浓度2'3'-cGAMP触发、Mn2+促进、STING蛋白相分离形成的内质网立方膜结构被命名为“STING相分离器”（STING Phase-Separator），像细胞内的“2'3'-cGAMP-STING-TBK1海绵”吸附并隔离天然免疫关键分子，以防止天然免疫的过度活化。(生物谷Bioon.com）