这一起源于细菌的信号通路cGAS-STING途径是很多多细胞动物对致病因子(也称病原体)做出反应时使用的在进化上保守的防御途径1,2美国麻州波士顿哈佛医学院微生物系的BenjaminR.Morehouse等人发现在哺乳动物抗。
cGAS-STING途径是很多多细胞动物对致病因子(也称病原体)做出反应时使用的在进化上保守的防御途径1,2。美国麻州波士顿哈佛医学院微生物系的Benjamin R. Morehouse等人发现在哺乳动物抗病毒免疫反应中起关键作用的cGAS-STING信号通路起源于保护细菌免受病毒感染的免疫防御系统。2020年9月28日在线发表于Nature的评论性文章:Bacteriasting viral invaders对其进行了评论和总结。
cGAS-STING途径在进化上更古老3-5。
Morehouse等人6证明,细菌中存在一种功能性的cGAS-STING途径,它可以有效抑制细菌生长,这可能是一种细菌防御病毒(噬菌体)的方法。同时作者还提供了证据,表明STING蛋白起源于细菌,然后才被多细胞动物——我们的后生动物祖先获得。
当人类细胞感觉到致病性DNA的存在时,会导致cGAS-STING途径产生炎症免疫反应。cGAS在与细胞质中的脱氧核糖核酸结合时被激活,这种脱氧核糖核酸的异常定位可能发生在病毒感染期间7。激活的cGAS利用核苷酸三磷酸鸟苷(GTP)和三磷酸腺苷(ATP)作为起始原料,产生一种叫做环2’,3’-cGAMP的二核苷酸(CDN)分子,它会与位于内质网膜上的STING结合。然后,STING激活一个信号级联反应,最终驱动一组抗病毒基因的表达(见图1a)。
类似于人类细胞,在细菌中发现了CBASS系统,这是一种基于CDN的抗噬菌体信号系统4。这些高度多样化的系统由类似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(见图1b)。同时,文中还指出CBASS系统中的效应蛋白有很多类型10,其中一些含有类似STING的氨基酸残基序列,这也增加了细菌中具有完整的cGAS–STING途径的可能性。
图1 细菌和人类的细胞防御途径
STING蛋白起源于细菌
Morehous和他的同事利用X射线晶体学表明,细菌和哺乳动物STING的整体结构相似。然而,它们之间存在的一些关键差异表明其CDN结合特异性可能不同于哺乳动物。作者利用这些结构构建了一个代表细菌和动物的STING蛋白之间进化关系的系统进化树。这使他们得出了一个重要的发现,即STING可能是在被早期后生动物获得之前在细菌中进化而来的。
细菌中cGAS样蛋白相关的CDN—3′,3′c-di-GMP
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5。Morehouse等人以cGAS样蛋白CdnE为例进行了研究。他们发现CdnE在体外产生了分子3′,3′c-di-GMP(也称为c-di-GMP),而3’,3’c-di-GMP在细胞生长过程中具有许多重要的作用,例如调节聚合物纤维素合成11、调节生物膜的形成12。如果3′,3′c-di-GMP也能激活CBASS系统导致细胞死亡,那么为了这种其他目的而持续生产3′,3′c-di-GMP对于细菌生长来说将是灾难性的。作者分析了含有cGAS-STING途径的细菌基因组,发现细菌STING几乎只发生在缺乏涉及3′,3′c-di-GMP信号通路的细菌中,从而避免了这种潜在的冲突。
细菌中STING蛋白以STING-TIR融合蛋白形式存在
Morehouse等人报道,细菌STING最常见的形式是具有与TIR结构域相连的STING结构域STING-TIR融合蛋白。作者表明,3′,3′c-di-GMP促使细菌STING-TIR融合蛋白组装成能快速降解NAD 的长丝,从而阻止了E.coli的细胞生长。而CDN结合位点的突变可以阻断该系统在E.coli中的毒性,这表明3’,3’c-di-GMP控制由TIR结构域介导的细丝形成和NAD 破坏。
另外,文中也指出STING–TIR融合蛋白不限于细菌。利用生物信息学方法,Morehouse等人在一些无脊椎动物中鉴定了这种蛋白质。对一种来自C.gigas的STING-TIR融合蛋白的结构分析表明,它与2’,3’-cGAMP(最能结合和激活哺乳动物STING的CDN)紧密结合。值得注意的是,在2′,3′-环磷酸腺苷中,GMP和AMP之间的磷酸二酯键具有不对称的连接模式。这种排列在许多多细胞动物中发现,但在细菌中没有发现,这表明STING的优势配体在被我们的动物祖先获得后发生了变化。这一变化的原因尚不清楚。
细菌cGAS-STING途径如何被噬菌体感染激活
Morehouse等人表明,像许多细菌类cGAS蛋白5,13一样,纯化的CdnE蛋白在体外具有组成型活性。因此,有可能活性蛋白通常被抑制,并且仅在噬菌体感染时才从抑制中释放。这类系统的一个例子是Vibriocholerae中的cGAS样酶DncV,它被代谢物(叶酸样分子)抑制,这些代谢物可能在细菌被噬菌体感染的过程中耗尽,由此解除抑制14。需要更多的研究来确定这是否是CdnE和其他cGAS样蛋白的调节方式,或者是否存在其他调节机制。
最后作者还强调,随着我们对细菌中多样而复杂的防御系统了解的越来越多,我们可能会倾向于将这些免疫系统视为脊椎动物免疫系统的镜像。
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全文链接
https://www.nature.com/articles/d41586-020-02712-8