今年的拉斯克奖为何授予陈志坚教授？

硕博一线 · 公众号 · · 2024-09-28 23:42

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导读

近几十年来，对免疫系统如何识别和应对病原体的了解，推动了生物学和医学领域的里程碑式进步。

今年的拉斯克基础医学研究奖授予了陈志坚教授，因其发现 cGAS，cGAS 是一种可以感知外来和自身 DNA（自身异常的、位于细胞内的 DNA）的酶，cGAS-STING 通路的定义为理解和治疗人类疾病开辟了新视野。

至于这个领域如何一步步发展起来，拉斯克基金委员会邀请专家专门撰文回顾，陈教授的贡献主要是哪些？

理查德·弗拉维尔、埃森 ·塞菲克｜撰文

深究科学 | 编译

DNA 与免疫

1953 年，DNA 结构的发现将生物学推向了前所未有的时代。它催生了分子生物学领域，并带来了非凡的发现。反过来，分子生物学应用于所有生物学领域，将这些领域转变为现在的状态。

人们意识到 DNA 可以被免疫系统来区分自身和非自身。病原微生物侵入高等生物体内所有潜在的区域，包括我们细胞的内部。这在病毒身上最为明显，因为它们的“生命”依赖于细胞内阶段，但它同样适用于原核和真核病原体，它们可以侵入相同的区域为自己谋利。当人们意识到 DNA 本身可能具有炎症性时，这就带来了一个问题：我们的细胞如何区分自身和非自身 DNA？

大部分答案来自于这样的认识：免疫系统将细胞错误区域（最常见的是细胞质）中的 DNA 识别为必须对抗的入侵信号。

今年的拉斯克基础医学研究奖表彰了 DNA 被免疫系统感知机制的发现——陈志坚发现了环鸟苷酸-腺苷酸合酶 (cGAS)。cGAS 与 DNA 结合，使其能合成环鸟苷酸-腺苷酸 (cGAMP)，进而使干扰素 (IFN) 基因刺激物 (STING) 通过转录因子 IRF3 激活 IFN 反应。cGAS 的发现和下游通路的定义具有重大的基础和生物医学意义。

先天免疫识别的现代时代

自 20 世纪中叶以来，免疫学家一直在思索免疫系统为何能对“外来”抗原作出反应，而对自身抗原一般不产生反应。

1989 年，查尔斯·珍妮薇二世（Charles Janeway Jr）在当年的冷泉港研讨会上发表了一篇开幕论文，提出了一个新理论来解释这一现象。他描述了所谓的 “大自然的肮脏小秘密” ，即免疫系统实际上不会对绝对纯的蛋白质产生适应性免疫反应，而当抗原被微生物成分污染时，它很容易产生适应性免疫反应。他推测，造成这种情况的原因是我们的生殖系基因组编码了所谓的模式识别受体 (PRR)，他提出这种受体能够识别微生物特异性成分，他称之为病原体相关分子模式 (PAMP)，而哺乳动物等后生动物不会产生这些成分。他进一步提出，这些受体的刺激会触发适应性免疫反应，从而能够对与“微生物分子模式”相关的抗原产生反应，而这些抗原是 PRR 的假设配体。

他的理论的实验证据来自斯特拉斯堡研究无脊椎动物的朱尔斯·霍夫曼和布鲁诺·勒梅特以及两个研究哺乳动物系统的实验室：鲁斯兰·梅德日托夫在查理自己的实验室直接检验他的假设，亚历山大·波尔托拉克和布鲁斯·贝特勒研究脂多糖 (LPS) 识别的遗传基础。

这三项研究导致发现了 Toll 样受体 (TLR) 蛋白家族，该家族能够检测多种微生物编码的 PAMP。现在我们知道， TLR 是由一个具有分工的基因家族编码的，该家族成员可以识别多种微生物碳水化合物、脂蛋白甚至核酸，包括单链和双链 RNA 以及 DNA。当被激活时，TLR 传递的信号会诱导细胞因子 IFN 和其他引发强烈免疫反应的关键分子。由于这些受体存在于细胞表面或囊泡膜上，识别成分直接进入囊泡，因此它们可以监视细胞外空间或囊泡空间，而囊泡空间本身通过内吞机制与外界相连。

事实上，编码此类 PRR 基因的遗传消除会消除宿主或其细胞对给定微生物损伤作出反应的能力。我们现在知道，TLR 通常看到的是微生物，而不是严格的“病原体”，但 Janeway 的聪明见解是正确的，并将免疫学推向了“先天免疫”的新时代。现在还了解到，TLR 和 PRR 还可以识别组织和细胞损伤释放的各种分子，通常称为损伤或危险相关分子模式或 DAMP，从而将这一领域更广泛地扩展到病理学。

微生物侵袭并不局限于活的后生动物的细胞外空间。RNA 病毒感染细胞并将其核酸基因组注入真核或原核细胞的各种区域，并在这些区域中以病毒 RNA 的形式表达，必须将这些基因组和亚基因组成分与受感染细胞胞质中的宿主核酸区分开来。事实上，人们迅速发现了多种 PRR 蛋白，包括 RIG-I 和 MDA-5，它们能够通过几种独特的特征特异性识别病毒 RNA，从而将病毒与宿主核酸区分开来；当这些 PRR 被激活时，它们会触发抗病毒反应的产生。

大量病毒具有 DNA 基因组，大量细菌和其他病原体（它们本身具有 DNA 基因组）可以感染细胞质，这两种情况都会导致细胞内部暴露于微生物 DNA。因此，人们开始寻找能够识别 DNA 的 PRR。

识别 DNA 的模式识别受体

从 Shizuo Akira 及其同事的研究已经得知，内皮细胞 TLR9 可以识别 DNA 并诱导 I 型干扰素，同样清楚的是，这不太可能是一种能够在细胞质中实现 DNA 感应的机制，因为 TLR9 将其识别元素投射到囊泡或细胞外空间。早在 DNA 被证实为遗传物质之前，它本身似乎就能够刺激免疫反应，但其发生的原因尚不清楚。

事实上，1908 年，发现并定义吞噬细胞的 Ilya Metchnikov 在他的诺贝尔奖演讲中指出，我们现在知道含有 DNA 的物质会招募保护性免疫细胞来对抗微生物，尽管当时还不清楚是如何做到这一点的。事实上，健康细胞的细胞质基本上没有游离 DNA。

2006 年，实验证明将双链 DNA 输送到细胞的细胞质中可以诱导强烈的先天免疫反应，包括产生 I 型干扰素。因此，细胞质 DNA 具有炎症性，因此必须存在检测它的系统，包括 DNA 解旋酶在内的几种 DNA 结合蛋白被认为是潜在的 DNA 传感器，但尚未出现明确的候选者。

随后在 2008 年，迈阿密大学医学院 Glen Barber 和武汉大学的舒红兵院士团队发现了一种关键蛋白质，Barber 将其称为 STING，该蛋白质可以驱动细胞产生大量的 I 型 IFN。

2009年， DNA 本身被证明是这一过程的驱动因素，这让学术界大为惊讶。然而，由于 STING 本身并不直接感知 DNA，因此其如何运作一直是个谜。

陈志坚教授开始登场

陈志坚在中国长大，并在那里接受了本科教育。1986 年，他来到美国，在纽约州立大学布法罗分校获得博士学位。在索尔克研究所短暂从事博士后研究后，他进入工业界，为包括 VELCADE 在内的重要药物的发现做出了贡献。他很快成为德克萨斯大学西南医学中心分子生物学系的助理教授。在那里，他为当时蓬勃发展的先天免疫领域做出了许多重要贡献，特别是通过研究 RNA 识别如何向线粒体抗病毒信号蛋白 (MAVS) 发出信号，该蛋白在线粒体上提供了一个介导信号传导到 IFN 产生的平台。

cGAS-STING信号通路的激活

陈志坚选择回答以下科学问题：如果 STING 对 DNA 有反应但不结合 DNA，那么是什么激活剂能让 STING 触发 IFN 产生？他选择了一个两步系统，用 DNA 刺激缺乏 STING 的细胞；他和他的同事推断，如果 STING 不存在，那么这些细胞应该会积累激活它的配体。然后，他们将这些细胞的提取物应用于第二组细胞，他们想知道 STING 是否因此被激活，使用一种测定法作为众所周知的 IFN 转录调节剂 IRF3 的激活，介导 STING 激活的分子的生化纯化导致鉴定出 cGAMP，这是一种全新的二核苷酸。

这种分子的化学合成证实它确实能够诱导 IFN-β。此外，感染 RNA 病毒的细胞无法诱导 cGAMP，而感染 DNA 病毒则会导致这种核苷酸水平升高。此外，cGAMP 直接结合 STING 并诱导 IRF-3 的磷酸化，IRF-3 是导致诱导 I 型 IFN 和 IFN 反应基因的关键转录因子。

发现 cGAS 和 cGAS-STING 通路

为了检测负责合成 cGAMP 的酶，陈志坚和他的同事采用了蛋白质纯化生物化学方法。通过使用 cGAMP 合成作为检测方法进行连续纯化，他们发现了三个潜在的候选物。其中一个是令人兴奋的候选物，与之前描述的核苷酸合酶具有同源性，即 2′-5′ 寡腺苷酸合酶，它本身是一种由 IFN 诱导的重要酶，其蛋白质结构与其他环核苷酸合酶相关。

陈志坚和同事随后克隆了编码候选“DNA 检测器”蛋白的基因，他们将其命名为环 GMP-AMP 合酶 (cGAS)。通过对该基因进行诱变进行结构-功能关联证实了这一预测，即这确实是一种具有这种特性的酶，并且假定的催化氨基酸的突变消除了 cGAS 诱导 IRF3 的能力。

通过 RNA 干扰 cGAS 基因的功能丧失实验，细胞无法通过胞质 DNA 诱导 IFN-β。最后，陈志坚及其同事表明，纯化的 cGAS 可以与 DNA 结合，从而诱导其从 ATP 和三磷酸鸟苷 (GTP) 酶促合成 cGAMP 的能力。cGAS 酶的生化作用机制、DNA 如何将其开启以及 cGAMP 如何激活 STING 被迅速阐明。随后对 cGAS 的体内生物学有了了解，将缺乏该酶的小鼠与野生型小鼠进行比较，发现 cGAS 在生理上参与 DNA 病毒检测和抵抗。然而，很明显，cGAS 不仅参与病毒识别，还参与识别其他病原体，例如驻留在细胞质中且其 DNA 可检测到的细胞内细菌。有趣的是，cGAS 可以通过将 RNA 逆转录为 DNA 来识别 HIV 等逆转录病毒，然后 DNA 被酶识别。

对自身免疫疾病和癌症的新认识