专栏名称: BioArt

BioArt致力于分享生命科学领域科研学术背后鲜为人知的故事，及时报道和评论生命科学领域有料的动态，BioArt也是一个生命科学领域“百花齐放，百家争鸣”的舞台，循“自由之思想”与“独立之精神”为往圣继绝学。

Mol Cell | 谭小军团队揭示STING的原始功能在于溶酶体生成

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-09-22 09:16

正文

人体拥有多种天然免疫系统，以保证我们能抵抗病原体感染。其中，cGAS（cyclic GMP-AMP synthase，cGAMP synthase）- STING（stimulator of interferon genes）天然免疫通路主要负责识别在细胞质中暴露的非正常DNA。最近10年，cGAS-STING通路受到了学术界和临床的高度关注，近日还获得了拉斯克基础医学奖。因为越来越多的证据表明，这条通路不仅会在感染时被激活，在包括癌症、细胞衰老和神经退行性病变等诸多其他生理病理条件下，也会被激活。其背后的原因有多种，包括内源DNA的泄漏，STING的激活突变，或者STING的降解途径失调等。活化的STING会强烈上调干扰素驱动的抗病毒反应，以及多种细胞因子驱动的炎症反应。虽然STING在宿主对抗微生物和癌症方面发挥关键作用，但在衰老和退行性疾病中STING的慢性激活反而会促进疾病发生。因此，全面理解cGAS-STING信号通路的分子机制和功能对相关疾病的防治至关重要。

值得注意的是，STING在干扰素和炎症方面的功能都来自于它对TBK1激酶的直接招募和激活，而只有脊椎动物的STING才进化出了执行这些功能的模块。然而，cGAS-STING信号通路高度保守。cGAS在细菌中有多种同源基因，而STING在昆虫和软体动物中也已经存在。那么，在STING进化出干扰素和炎症的功能之前，这个通路为什么重要？为什么多种看似毫不相关的细胞功能失调都能激活cGAS-STING？既然原始的cGAS-STING不能激活炎症，那么他们对细胞失调作出何种反应？这些功能在哺乳动物和人类中是否被保留，有什么生理意义？

近年来，STING在扰素和炎症以外的功能，有诸多报道。但哪些功能是STING的直接原始功能，一直是天然免疫领域悬而未决的重大问题。最近，麻省理工学院的Nir Hacohen团队和匹兹堡大学的谭小军（Jay Xiaojun Tan）团队，分别报道了STING的质子通道功能。谭小军团队发现，STING的质子通道功能高度保守，它的出现早于其在扰素和炎症方面的活性。STING的质子通道直接导致其转运小泡的质子丢失，pH升高，进而激活质子泵以及“非经典自噬”。“非经典自噬”是个容易被误解的术语，其实它不是自噬，只是自噬蛋白ATG8被直接脂质化，从而链接在了质子泵所在的单层膜上，与拥有双层膜的自噬体无关。因此，非经典自噬，又名质子泵和ATG16L1介导的LC3脂质化(V-ATPase-ATG16l1-induced LC3 lipidation, VAIL)，或者单层膜上的ATG8脂质化（conjugation of ATG8 to single membranes, CASM）。既然非经典自噬不是自噬，那么，它的功能是什么，STING激活非经典自噬的生理意义在哪里？

2024年9月19日，匹兹堡大学医学院细胞生物学系衰老研究所谭小军团队在Molecular Cell期刊上发表了题为A TBK1-independent primordial function of STING in lysosomal biogenesis 的研究论文。在这篇文章中，作者通过质谱筛选和生物信息学分析，发现了TFEB的激活是STING的一个全新重要功能，确认了这一功能在不同物种中的高度保守性，揭示了STING的质子通道功能在TFEB激活中的核心作用，阐明了非经典自噬中的GABARAP脂质化是STING-TFEB通路中的关键步骤，证明了STING通过TFEB的转录功能激活溶酶体生物合成以增强细胞稳态，并进一步发现了STING-TFEB通路在STING慢性激活状态下对于细胞抗压能力和生存能力的重要作用（图1）。TFEB作为溶酶体生成和自噬的关键转录因子，非常原始且高度保守。在进化上，TFEB等位基因的出现远早于脊椎动物，当然也远早于STING的干扰素和炎症功能的出现。近年来，TFEB和溶酶体在免疫中的作用逐渐被揭示并成为共识。因此，TFEB的激活以及溶酶体的生成，作为STING的重要原始功能，非常合理，其必然在原始天然免疫中发挥重要作用。STING的慢性激活在正常衰老和各种老年病中普遍存在，而STING-TFEB通路在这些情况下对于细胞的生存和抗压至关重要，因此这些发现对于衰老相关疾病的治疗具有重要指导意义。

图1. 溶酶体生成是STING的一项重要原始功能

为了寻找被STING激活的新转录因子，作者首先通过生物素无差别标记所有细胞质蛋白，在激活STING后分离出细胞核，随后进一步纯化出生物素标记的核蛋白（图2）。这一设计是为了找到所有受STING信号驱动后，从细胞质进入细胞核的蛋白。通过质谱分析，作者找到了一些已知会入核的STING下游蛋白，然而其中并没有发现新的转录因子，甚至没有STING下游最知名的干扰素调节因子3（IRF3），说明该筛选方法缺乏足够的灵敏度，未能挖掘出所有从胞质入核的蛋白。但是，研究者注意到，在检测到的入核蛋白中，14-3-3β非常靠前，而且它的入核能够被其他方法验证。14-3-3通常直接结合磷酸化蛋白，并将他们锁定在细胞质中以抑制这些蛋白的活性。此前的研究表明，14-3-3β所结合蛋白的去磷酸化可驱动14-3-3β入核。因此，STING的激活似乎导致了很多14-3-3β结合蛋白的去磷酸化。这与已知的STING下游TBK1激酶介导的经典磷酸化信号恰恰相反。通过一些列生物信息学分析，研究者从1000多个已知的14-3-3β结合蛋白中找到了17个通过去磷酸化而被激活的转录因子。通过检验他们的入核情况，作者发现TFEB等转录因子在STING激活以后会入核，而TFEB的一个抑制蛋白c-Myc则反之。这些结果表明，TFEB可能被STING激活了。鉴于TFEB在溶酶体生成、自噬和天然免疫方面的重要作用，作者决定进一步探究TFEB作为STING效应蛋白的可能性。

图2. 生物素标记追踪蛋白入核

通过多种途径验证，研究者发现，TFEB及其家族另一位成员TFE3是cGAS-STING天然免疫通路的重要且保守的效应蛋白。cGAS、cGAMP和STING是细胞质DNA激活TFEB/TFE3的必要成分。在多种没有内源性STING的细胞系中，稳定表达STING之后，可以重建STING-TFEB通路。值得一提的是，非洲爪蟾STING没有TBK1招募模块，因此其在干扰素和炎症方面的功能并不存在。然而，不仅人类和小鼠的STING可以激活TFEB，非洲爪蟾的STING也同样可以。因此，TFEB/TFE3的激活是cGAS-STING通路的一项原始功能（图3）。进一步研究证实，STING导致的TFEB激活，依赖于STING的胞内转运，但完全独立于TBK1。

图3. TFEB的激活是cGAS-STING通路的一项保守功能

接下来，研究者进一步探索阐明了STING激活TFEB/TFE3的核心机制（图4）。作者发现，他们先前报道的STING质子通道，介导了TFEB/TFE3激活。STING的质子通道，通过中和STING转运小泡的酸性pH，触发质子泵（V-ATPase）介导的单层膜上ATG8脂质化（CASM）。ATG8家族包括三个LC3基因和三个GABARAP基因；其中GABARAP脂质化为STING激活TFEB/TFE3提供了重要支撑。作者进一步发现，GABARAP的脂质化，通过抑制FLCN-FNIP-RagC/D信号轴从而阻止mTORC1介导的TFEB/TFE3磷酸化。因此，STING-GABARAP信号轴主要作用于mTORC1下游，选择性地抑制其对TFEB/TFE3的磷酸化活性。

图4. STING-TFEB通路的关键机制及抑制手段

随后，作者分析了STING激活TFEB的潜在生物学意义。通过RNA测序，作者发现STING激活了溶酶体和自噬基因的转录表达。这些结果得到了qRT-PCR实验的验证。同时，细胞生物学实验证明，STING的激活能显著增加溶酶体数量。因此，STING触发了独立于TBK1的转录反应，从而上调溶酶体和自噬小体的生物合成。

TFEB和cGAS-STING通路都与细胞衰老紧密相关。在多种衰老模型中，通过cGAS-STING通路引起的无菌性炎症对于诱导衰老，及衰老相关分泌表型（senescence associated secretion phenotype，SASP）至关重要。TFEB/TFE3的激活和随后的溶酶体生成在维持衰老细胞的生存中起关键作用。由于慢性、无菌的cGAS/STING信号在衰老及老年病中很常见，作者探究了TFEB/TFE3是否维持细胞在此背景下的稳态。

在STING被持续慢性激活期间，野生型细胞停止生长，而TFEB/TFE3双敲除细胞则迅速死亡。与TFEB/TFE3双敲除细胞类似，通过各种不同的遗传突变手段破坏STING-TFEB信号轴以后，细胞在STING慢性激活时，也会迅速死亡。这些数据表明，STING-TFEB通路在慢性STING激活病理条件下，对于细胞的应激和存活至关重要。这类似于衰老细胞依赖于TFEB来抵抗细胞应激并维持生存。在未来的研究工作中，作者计划利用小鼠模型来进一步验证STING-TFEB这一通路并评估其对衰老和老年疾病的影响。

综上所述，该研究发现TFEB介导的溶酶体生成是STING的重要原始功能（图5）。该功能独立于TBK1激酶介导的干扰素上调和炎症反应。STING质子通道引发的GABARAP脂质化是TFEB激活的核心机制。STING-TFEB通路提高细胞的应激生存能力，对衰老相关疾病具有重要意义。