STING介导的天然免疫反应在细菌感染中作用研究进展
时间：2023-06-20 15:40:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李梦园，王 逍，沈锡辉，王 瑶，徐 磊
(西北农林科技大学生命科学学院，陕西杨凌 712100)
随着Toll样受体(Toll-like receptors，TLRs)的发现，宿主天然免疫系统受到广泛关注。近些年来，人们对天然免疫系统的激活、信号转导和在其在不同疾病中的作用进行了深入探索[1]。宿主细胞通过模式识别受体识别特定病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)，从而迅速启动天然免疫应答。病原体的核酸作为重要的PAMPs，是激活天然免疫信号途径的关键因素之一，在细胞质内出现的核酸会迅速被不同的模式识别受体识别。RIG-I样受体能够识别病毒的RNA从而激活以产生Ⅰ型干扰素(IFN-Ⅰ)为代表的天然免疫反应[1]。病原体的DNA可以被环状GMP-AMP合酶(cyclic GMP-AMP synthase，cGAS)识别，cGAS激活后可催化ATP与GTP形成2′3′-cGAMP(2′3′-Cyclic GMP-AMP)。2′3′-cGAMP可激活干扰素基因刺激蛋白(stimulator of interferon genes，STING)启动天然免疫反应，进而调节病原体的感染。STING还可以直接识别细菌产生的环状二核苷酸(cyclic dinucleotides，CDNs)以激活IFN-Ⅰ反应。革兰氏阳性菌产生的环二腺苷酸(cyclic diadenylate，c-di-AMP)和阴性菌产生的环二鸟苷酸(cyclic diguanylate，c-di-GMP)，包括细菌产生的3′3′-cGAMP都可以激活STING。宿主自身DNA,如线粒体DNA,同样能够与cGAS结合，其激活的应答反应与病原体DNA诱导的类似[2]。
STING在诱导抗病毒因子IFN-Ⅰ方面具有核心作用，其在病毒感染中的重要功能已被广泛研究，而其在细菌感染中的作用近年来才得以广泛研究。STING在多种胞外致病菌和胞内致病菌感染过程中的激活机制被逐渐揭示，其所激活的信号通路在宿主防御细菌感染过程中的重要作用也被逐渐阐明。而细菌在与宿主的长期共同进化过程中，也进化出多种方式来抑制STING通路的激活。本文系统阐述了STING介导的天然免疫信号途径在宿主防御病原菌入侵中的重要作用，同时总结了细菌通过抑制STING信号通路进行免疫逃逸的相关研究进展。
STING能够介导细菌感染过程中IFN-Ⅰ的产生。在细菌生理活动中发挥重要功能的CDNs能够作为PAMPs被STING识别。该过程导致TANK结合激酶1(TANK-binding kinase 1，TBK1)和干扰素调节因子3(interferon regulatory factor 3，IRF3)的激活，最终导致IFN-Ⅰ免疫反应[2]。哺乳动物细胞质DNA感受器cGAS与外源dsDNA结合之后合成的2′3′-cGAMP同样可以被STING识别。除了感应微生物组分外，STING还可以被细胞自身的DNA激活。线粒体DNA是细胞内游离DNA的重要来源，在细胞应激后，线粒体DNA被释放到细胞质中并以cGAS-STING依赖性方式诱导IFN-Ⅰ的表达[2]。
STING与其配体CDNs的结合诱导其从内质网迁移到核周区域以形成核周点状结构，该过程对于募集TBK1至关重要。活化的TBK1能够使得STING磷酸化，导致IRF3募集和磷酸化。IRF3激活后，STING-TBK1-IRF3复合物解离，磷酸化的IRF3同源二聚体易位到细胞核以激活先天免疫反应相关基因的表达[1]。此外，STING-TBK1激活会磷酸化IκB，导致核因子-成熟B细胞免疫球蛋白κ-轻链基因增强子的释放并易位至细胞核，从而激活B细胞免疫球蛋白κ-轻链基因的表达，这些激活的基因表达的产物将参与细胞应激、炎症等生物学过程[1]。除了产生IFN-Ⅰ外，STING的活化还可导致细胞自噬的发生[3]。自噬能够形成双膜自噬体，吞噬胞内物质并与溶酶体融合最终消化被吞噬物质。自噬对细菌的清除是宿主防御细菌感染的重要机制。STING可以诱导选择性自噬，从而使特定的底物被识别和降解[3]，其通过独立于IFN-Ⅰ诱导表达的机制激活自噬。2′3′-cGAMP诱导的自噬对于清除细胞质中的DNA和病毒至关重要。此外，来自低等生物海葵的STING在cGAMP的刺激下能够激活自噬，但不激活IFN的表达，说明自噬的诱导是cGAS-STING途径的原始功能[3]。
2.1 STING在胞外致病菌感染过程中的作用
多种细胞外病原菌，如铜绿假单胞菌(P.aeruginosa)、肺炎克雷伯菌(K.pneumoniae)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)在感染过程中都可以通过其自身DNA激活cGAS-STING通路[4]。而且有研究发现，STING-IFN信号的激活可以保护小鼠免受P.aeruginosa感染诱导的急性肺部感染[4]。在cGAS和STING基因缺失的小鼠中，P.aeruginosa感染诱导的IFN-Ⅰ显著减少，造成的小鼠死亡率显著升高[4]。
A组化脓性链球菌感染能够通过骨髓巨噬细胞和树突状细胞，以不同信号传导途径诱导产生IFN-Ⅰ[5]。树突状细胞完全依赖髓样分化初级应答基因88和IRF5诱导IFN-Ⅰ表达，而巨噬细胞则同时依赖STING和髓样分化初级应答基因88信号途径。在巨噬细胞和树突状细胞中，对A组化脓性链球菌DNA的识别可能是激活IFN-Ⅰ的主要原因，而其CDNs是否参与STING的激活还需要进一步研究[5]。
淋病奈瑟球菌(N.gonorrhoeae)感染诱导的IFN-Ⅰ的产生依赖于TLR4和STING的共同激活[6]。宿主细胞的TLR4可以识别淋球菌脂寡糖，而cGAS可以识别DNA，两条通路共同诱导IFN-Ⅰ反应。有趣的是，IFN-Ⅰ通路的激活反而降低了宿主对N.gonorrhoeae的清除，究其原因，IFN-Ⅰ反应能够使宿主细胞内的铁池(Iron pool)增加，而这种微环境有利于细菌的生存[6]。
肺炎链球菌(S.pneumoniae)是一种重要的胞外病原体。两项独立的研究确定STING对IFN-Ⅰ的产生和对抗S.pneumoniae感染至关重要，该菌在感染中可以产生成孔毒素肺炎球菌溶血素，造成线粒体损伤，从而使线粒体DNA泄漏至细胞质中，从而激活cGAS-STING信号通路[7]。
2.2 STING在胞内致病菌感染过程中的作用
有研究探索了耻垢分支杆菌(M.smegmatis)和副结核分支杆菌[5]，两种分支杆菌均可诱导STING激活，但STING在非结核分支杆菌感染中的重要性与细菌的毒力呈反比[8-9]。致病性较高的病原菌可以逃逸STING识别以促进感染，而毒性较低的分枝杆菌会激活STING依赖的抗菌机制。
单核细胞增生李斯特菌(L.monocytogenes)是一种革兰氏阳性胞内寄生菌。该菌能够通过其基因组DNA和c-di-AMP激活STING，导致感染期间IFN-Ⅰ的产生。L.monocytogenes感染宿主细胞后，细菌DNA能够通过DNA传感器γ-IFN诱导蛋白16和cGAS共同激活STING[10]。被L.monocytogenes感染的细胞可以分泌含有细菌DNA的细胞外囊泡，这些细胞外囊泡与周围细胞融合使DNA被释放至未感染细胞的细胞质中，从而激活cGAS-STING通路[10]。另有报道，L.monocytogene所分泌的c-di-AMP可以不依赖cGAS直接激活STING，在肠道感染L.monocytogene诱导的小肠结肠炎模型中，STING的激活有助于肠道中L.monocytogene的清除，并且这一过程与单核细胞向肠道的募集有关[11]。但在全身性感染中，L.monocytogene感染细胞所分泌的细胞外囊泡会促进T细胞凋亡，反而导致细菌清除的降低[10]。这两项结果表明，宿主的不同组织在对抗L.monocytogenes感染时，STING都发挥着至关重要的调节作用。
布鲁氏菌属(Brucella)细菌的DNA或c-di-GMP都可以激活STING信号通路[12]。STING激活的IFN-Ⅰ能够使含有布鲁氏菌的液泡破裂，使细菌及其内容物释放到细胞质中。然后释放的细菌DNA除了与cGAS结合外，还可以激活黑素瘤缺乏因子2(AIM2)炎性小体，最终产生白介素1β(interleukin-1β，IL-1β)[12]。因此，STING的激活及其激活而产生的细胞因子，分别激活了不同的免疫途径帮助宿主清除Brucella，充分说明了STING在协助宿主对抗Brucella感染期间发挥了重要作用。
嗜肺军团菌(L.pneumophila)引起的肺炎通常被称为军团病。L.pneumophila感染过程中细菌的DNA是激活cGAS-STING通路的主要物质[13]。宿主对于L.pneumophila的易感性并不会在IFNAR缺失时升高，但却会在cGAS或STING缺失的情况下略微增加[13]。这些研究揭示了STING在控制嗜肺军团菌感染过程中的重要作用，同时表明除了IFN-Ⅰ反应外，STING所介导的其他胞内反应对于控制该菌感染也很重要。
在伯克霍尔德菌属(Burkholderiaspp.)的病原菌感染过程中观察到了一种独特的STING激活方式。在类鼻疽伯克霍尔德菌(B.pseudomallei)和泰国伯克霍尔德菌(B.thailandensis)感染的细胞中观察到了多核巨细胞的产生，研究发现细菌可以通过其Ⅵ型分泌系统诱导相邻细胞的融合，而融合细胞会造成有丝分裂异常，从而导致核损伤以及微核的形成。cGAS与微核的共定位证明了该融合现象对于STING的激活依赖于cGAS。随后，STING依赖的自噬被激活，最终导致细胞死亡[14]。
衣原体(Chlamydia)是严格的细胞内寄生病原体，呈现出双相生命周期，包括复制相的网状体和侵染相的原体。这两个阶段都可以激活STING途径。Chlamydia可以通过产生c-di-AMP来调节其从网状体向具有传染性原体的转变。这一过程中，c-di-AMP会被STING直接识别，诱导产生IFN-Ⅰ，进而活化炎性小体，清除致病菌，该过程以cGAS非依赖形式完成[15]。除此之外，STING介导的细胞死亡也是对抗Chlamydia感染的一种保护反应[16]。Chlamydia和STING途径之间相互作用关系错综复杂，后续的研究需要更多的在活体中进行，以明确STING介导的免疫反应如何影响Chlamydia感染。
土拉弗朗西斯菌(F.tularensis)可以从吞噬体中逃逸并在宿主细胞胞质中复制。在F.tularensis感染期间，DNA激活的STING和AIM2依赖的信号途径共同发挥作用激活天然免疫反应。F.tularensis能够在宿主细胞胞内进行复制，但仍有一些细菌会被裂解，导致细菌PAMPs释放，其中DNA是最重要的PAMP，其诱导的IFN-Ⅰ导致AIM2炎性体被激活，最终导致IL-1β释放和细胞焦亡[2]。
鉴于STING在宿主识别和对抗细菌感染过程中的重要作用，细菌在长期与宿主的相互作用中，细菌进化出多种策略来抑制感染过程中STING的激活。细菌源的CDNs，如c-di-GMP，c-di-AMP是激活STING信号通路的PAMPs。分支杆菌属(Mycobacterium)和链球菌属(Streptococcus)细菌可以合成环状二核苷酸磷酸二酯酶来降解CDNs，以避免宿主STING激活，实现逃避宿主免疫监视的效果[17-18]。无乳链球菌(S.agalactiae)可以通过锚定在细胞壁外的核苷酸酶将存在于细菌外部的c-di-AMP降解为相应的核苷单磷酸。值得注意的是，这种外核苷酸酶对宿主细胞合成的2′3′-cGAMP没有作用。这种细胞外CDNs的自我降解机制避免了STING的过度激活，促进了细菌的毒力和感染[17]。然而，结核分支杆菌(Mycobacteriatuberculosis)的环状二核苷酸磷酸二酯酶对细菌源的c-di-AMP和宿主细胞合成的2′3′-cGAMP都具有降解活性，说明其在感染过程中发挥双重活性，一方面可以防止宿主STING识别c-di-AMP，另一方面能够降解宿主2′3′-cGAMP，以防止STING的激活[18]。明确其他病原体是否也存在类似的免疫逃逸策略是今后重要的研究方向。
细菌感染过程中激活的一些胞内反应可以调节STING的表达和活性。众多Brucella属的菌株会在感染期间使STING表达下调，从而逃逸宿主的免疫识别。在感染过程中，其能够通过T4SS依赖的形式诱导miR-24的表达。尽管miR-24也可以下调其他蛋白质的表达，但体外分析表明STING是其在巨噬细胞中的主要靶标，因为缺乏表达miR-24的基因座miR23a会使小鼠对该菌感染产生更高的抵抗力[19]。这表明通过诱导miR-24表达是Brucella属细菌抑制STING的一种常见策略。除此之外，结核分支杆菌感染期间诱导的炎症小体可以负调节STING。衔接分子凋亡相关斑点样蛋白通过其Caspase募集结构域与STING C末端结构域相互作用，阻碍其与TBK1结合，从而抑制IFN-Ⅰ表达。还发现Mtb分泌的蛋白MmsA通过自噬促进STING降解从而抑制IFN-Ⅰ的产生[8]。
此外，细菌效应蛋白抑制STING的激活也是细菌逃逸STING介导的免疫监视的重要手段。耶尔森氏菌(Yersinia)分泌的效应蛋白YopJ在该菌逃避宿主免疫反应中发挥关键作用。YopJ是一种半胱氨酸蛋白酶，可以在多个信号通路中使靶点去泛素化。研究表明，YopJ与STING的相互作用能够阻止STING从内质网向高尔基体的转运，同时，去泛素化的STING会干扰STING-TBK1复合物的形成和IRF3的激活，从而封闭cGAS-STING依赖的IFN-Ⅰ表达[20]。此外，福氏志贺氏菌(Shigellaflexneri)效应蛋白IpaJ通过阻断STING从内质网(ER)到内质网-高尔基体中间区室的转位来有效抑制STING信号传导[5]。
与上文所述的通过与宿主胞内蛋白、核酸等大分子相互作用以抑制STING的方式不同，一项研究揭示了一种细菌效应蛋白通过改变细胞内离子水平来抑制宿主天然免疫的新机制[21]。假结核耶尔森氏菌(Yersiniapseudotuberculosis)的Ⅵ型分泌系统能够分泌一种锰离子结合蛋白TssS，该蛋白能够螯合胞内锰离子，降低c-di-GMP与STING的结合能力，从而抑制宿主抗细菌天然免疫。有趣的是，在不同种属细菌基因中都发现了具有类似功能的锰离子结合蛋白，提示细菌通过螯合金属离子来抑制宿主天然免疫可能是一种普遍存在的、古老的免疫逃逸机制。
STING可以通过感受细菌或宿主产生的CDNs来识别细菌感染，而细菌则通过多种方式抑制STING激活。细菌与STING信号途径的相互作用与其是革兰氏阴性菌还是阳性菌、有无分泌系统并无明显关系。尽管STING与细菌的相互作用的研究已取得长足进展，但仍有一些问题悬而未决。如细菌激活STING之后是否存在除了IFN-Ⅰ反应和自噬之外其他的天然免疫反应？细菌中是否还有未知的机制来抑制STING的激活？细菌感染过程中STING与适应性免疫系统的关系？这些问题都有待于进一步研究。鉴于STING在天然免疫系统中的核心作用，STING激动剂也可用作疫苗佐剂，用于刺激全局性免疫反应，国内外多个科研团队已经在这方面做出重要探索[22]。cGAS-STING信号通路的另一个重要激动剂—锰离子也在兽医及人类健康领域具有非常广泛的应用前景[23]。作为一种廉价易得的金属离子，锰离子不但具有极强的抗病毒、抗肿瘤效果[24]，亦具有显著的抗细菌感染能力[21]。尽管已经有研究揭示了锰离子能够增强兽用疫苗的免疫效果[25]，低成本STING激动剂在其他兽用疫苗或辅助治疗中的重要价值仍值得进一步探索。
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