STING介導(dǎo)的天然免疫反應(yīng)在細菌感染中作用研究進展

李夢園，王 逍，沈錫輝，王 瑤，徐 磊

(西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西楊凌 712100)

隨著Toll樣受體(Toll-like receptors，TLRs)的發(fā)現(xiàn)，宿主天然免疫系統(tǒng)受到廣泛關(guān)注。近些年來，人們對天然免疫系統(tǒng)的激活、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和在其在不同疾病中的作用進行了深入探索[1]。宿主細胞通過模式識別受體識別特定病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)，從而迅速啟動天然免疫應(yīng)答。病原體的核酸作為重要的PAMPs，是激活天然免疫信號途徑的關(guān)鍵因素之一，在細胞質(zhì)內(nèi)出現(xiàn)的核酸會迅速被不同的模式識別受體識別。RIG-I樣受體能夠識別病毒的RNA從而激活以產(chǎn)生Ⅰ型干擾素(IFN-Ⅰ)為代表的天然免疫反應(yīng)[1]。病原體的DNA可以被環(huán)狀GMP-AMP合酶(cyclic GMP-AMP synthase，cGAS)識別，cGAS激活后可催化ATP與GTP形成2′3′-cGAMP(2′3′-Cyclic GMP-AMP)。2′3′-cGAMP可激活干擾素基因刺激蛋白(stimulator of interferon genes，STING)啟動天然免疫反應(yīng)，進而調(diào)節(jié)病原體的感染。STING還可以直接識別細菌產(chǎn)生的環(huán)狀二核苷酸(cyclic dinucleotides，CDNs)以激活I(lǐng)FN-Ⅰ反應(yīng)。革蘭氏陽性菌產(chǎn)生的環(huán)二腺苷酸(cyclic diadenylate，c-di-AMP)和陰性菌產(chǎn)生的環(huán)二鳥苷酸(cyclic diguanylate，c-di-GMP)，包括細菌產(chǎn)生的3′3′-cGAMP都可以激活STING。宿主自身DNA,如線粒體DNA,同樣能夠與cGAS結(jié)合，其激活的應(yīng)答反應(yīng)與病原體DNA誘導(dǎo)的類似[2]。

STING在誘導(dǎo)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廣泛研究，而其在細菌感染中的作用近年來才得以廣泛研究。STING在多種胞外致病菌和胞內(nèi)致病菌感染過程中的激活機制被逐漸揭示，其所激活的信號通路在宿主防御細菌感染過程中的重要作用也被逐漸闡明。而細菌在與宿主的長期共同進化過程中，也進化出多種方式來抑制STING通路的激活。本文系統(tǒng)闡述了STING介導(dǎo)的天然免疫信號途徑在宿主防御病原菌入侵中的重要作用，同時總結(jié)了細菌通過抑制STING信號通路進行免疫逃逸的相關(guān)研究進展。

1 STING的激活與功能

STING能夠介導(dǎo)細菌感染過程中IFN-Ⅰ的產(chǎn)生。在細菌生理活動中發(fā)揮重要功能的CDNs能夠作為PAMPs被STING識別。該過程導(dǎo)致TANK結(jié)合激酶1(TANK-binding kinase 1，TBK1)和干擾素調(diào)節(jié)因子3(interferon regulatory factor 3，IRF3)的激活，最終導(dǎo)致IFN-Ⅰ免疫反應(yīng)[2]。哺乳動物細胞質(zhì)DNA感受器cGAS與外源dsDNA結(jié)合之后合成的2′3′-cGAMP同樣可以被STING識別。除了感應(yīng)微生物組分外，STING還可以被細胞自身的DNA激活。線粒體DNA是細胞內(nèi)游離DNA的重要來源，在細胞應(yīng)激后，線粒體DNA被釋放到細胞質(zhì)中并以cGAS-STING依賴性方式誘導(dǎo)IFN-Ⅰ的表達[2]。

STING與其配體CDNs的結(jié)合誘導(dǎo)其從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)遷移到核周區(qū)域以形成核周點狀結(jié)構(gòu)，該過程對于募集TBK1至關(guān)重要?；罨腡BK1能夠使得STING磷酸化，導(dǎo)致IRF3募集和磷酸化。IRF3激活后，STING-TBK1-IRF3復(fù)合物解離，磷酸化的IRF3同源二聚體易位到細胞核以激活先天免疫反應(yīng)相關(guān)基因的表達[1]。此外，STING-TBK1激活會磷酸化IκB，導(dǎo)致核因子-成熟B細胞免疫球蛋白κ-輕鏈基因增強子的釋放并易位至細胞核，從而激活B細胞免疫球蛋白κ-輕鏈基因的表達，這些激活的基因表達的產(chǎn)物將參與細胞應(yīng)激、炎癥等生物學(xué)過程[1]。除了產(chǎn)生IFN-Ⅰ外，STING的活化還可導(dǎo)致細胞自噬的發(fā)生[3]。自噬能夠形成雙膜自噬體，吞噬胞內(nèi)物質(zhì)并與溶酶體融合最終消化被吞噬物質(zhì)。自噬對細菌的清除是宿主防御細菌感染的重要機制。STING可以誘導(dǎo)選擇性自噬，從而使特定的底物被識別和降解[3]，其通過獨立于IFN-Ⅰ誘導(dǎo)表達的機制激活自噬。2′3′-cGAMP誘導(dǎo)的自噬對于清除細胞質(zhì)中的DNA和病毒至關(guān)重要。此外，來自低等生物海葵的STING在cGAMP的刺激下能夠激活自噬，但不激活I(lǐng)FN的表達，說明自噬的誘導(dǎo)是cGAS-STING途徑的原始功能[3]。

2 STING在細菌感染過程中的作用

2.1 STING在胞外致病菌感染過程中的作用

多種細胞外病原菌，如銅綠假單胞菌(P.aeruginosa)、肺炎克雷伯菌(K.pneumoniae)和金黃色葡萄球菌(S.aureus)在感染過程中都可以通過其自身DNA激活cGAS-STING通路[4]。而且有研究發(fā)現(xiàn)，STING-IFN信號的激活可以保護小鼠免受P.aeruginosa感染誘導(dǎo)的急性肺部感染[4]。在cGAS和STING基因缺失的小鼠中，P.aeruginosa感染誘導(dǎo)的IFN-Ⅰ顯著減少，造成的小鼠死亡率顯著升高[4]。

A組化膿性鏈球菌感染能夠通過骨髓巨噬細胞和樹突狀細胞，以不同信號傳導(dǎo)途徑誘導(dǎo)產(chǎn)生IFN-Ⅰ[5]。樹突狀細胞完全依賴髓樣分化初級應(yīng)答基因88和IRF5誘導(dǎo)IFN-Ⅰ表達，而巨噬細胞則同時依賴STING和髓樣分化初級應(yīng)答基因88信號途徑。在巨噬細胞和樹突狀細胞中，對A組化膿性鏈球菌DNA的識別可能是激活I(lǐng)FN-Ⅰ的主要原因，而其CDNs是否參與STING的激活還需要進一步研究[5]。

淋病奈瑟球菌(N.gonorrhoeae)感染誘導(dǎo)的IFN-Ⅰ的產(chǎn)生依賴于TLR4和STING的共同激活[6]。宿主細胞的TLR4可以識別淋球菌脂寡糖，而cGAS可以識別DNA，兩條通路共同誘導(dǎo)IFN-Ⅰ反應(yīng)。有趣的是，IFN-Ⅰ通路的激活反而降低了宿主對N.gonorrhoeae的清除，究其原因，IFN-Ⅰ反應(yīng)能夠使宿主細胞內(nèi)的鐵池(Iron pool)增加，而這種微環(huán)境有利于細菌的生存[6]。

肺炎鏈球菌(S.pneumoniae)是一種重要的胞外病原體。兩項獨立的研究確定STING對IFN-Ⅰ的產(chǎn)生和對抗S.pneumoniae感染至關(guān)重要，該菌在感染中可以產(chǎn)生成孔毒素肺炎球菌溶血素，造成線粒體損傷，從而使線粒體DNA泄漏至細胞質(zhì)中，從而激活cGAS-STING信號通路[7]。

2.2 STING在胞內(nèi)致病菌感染過程中的作用

有研究探索了恥垢分支桿菌(M.smegmatis)和副結(jié)核分支桿菌[5]，兩種分支桿菌均可誘導(dǎo)STING激活，但STING在非結(jié)核分支桿菌感染中的重要性與細菌的毒力呈反比[8-9]。致病性較高的病原菌可以逃逸STING識別以促進感染，而毒性較低的分枝桿菌會激活STING依賴的抗菌機制。

單核細胞增生李斯特菌(L.monocytogenes)是一種革蘭氏陽性胞內(nèi)寄生菌。該菌能夠通過其基因組DNA和c-di-AMP激活STING，導(dǎo)致感染期間IFN-Ⅰ的產(chǎn)生。L.monocytogenes感染宿主細胞后，細菌DNA能夠通過DNA傳感器γ-IFN誘導(dǎo)蛋白16和cGAS共同激活STING[10]。被L.monocytogenes感染的細胞可以分泌含有細菌DNA的細胞外囊泡，這些細胞外囊泡與周圍細胞融合使DNA被釋放至未感染細胞的細胞質(zhì)中，從而激活cGAS-STING通路[10]。另有報道，L.monocytogene所分泌的c-di-AMP可以不依賴cGAS直接激活STING，在腸道感染L.monocytogene誘導(dǎo)的小腸結(jié)腸炎模型中，STING的激活有助于腸道中L.monocytogene的清除，并且這一過程與單核細胞向腸道的募集有關(guān)[11]。但在全身性感染中，L.monocytogene感染細胞所分泌的細胞外囊泡會促進T細胞凋亡，反而導(dǎo)致細菌清除的降低[10]。這兩項結(jié)果表明，宿主的不同組織在對抗L.monocytogenes感染時，STING都發(fā)揮著至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用。

布魯氏菌屬(Brucella)細菌的DNA或c-di-GMP都可以激活STING信號通路[12]。STING激活的IFN-Ⅰ能夠使含有布魯氏菌的液泡破裂，使細菌及其內(nèi)容物釋放到細胞質(zhì)中。然后釋放的細菌DNA除了與cGAS結(jié)合外，還可以激活黑素瘤缺乏因子2(AIM2)炎性小體，最終產(chǎn)生白介素1β(interleukin-1β，IL-1β)[12]。因此，STING的激活及其激活而產(chǎn)生的細胞因子，分別激活了不同的免疫途徑幫助宿主清除Brucella，充分說明了STING在協(xié)助宿主對抗Brucella感染期間發(fā)揮了重要作用。

嗜肺軍團菌(L.pneumophila)引起的肺炎通常被稱為軍團病。L.pneumophila感染過程中細菌的DNA是激活cGAS-STING通路的主要物質(zhì)[13]。宿主對于L.pneumophila的易感性并不會在IFNAR缺失時升高，但卻會在cGAS或STING缺失的情況下略微增加[13]。這些研究揭示了STING在控制嗜肺軍團菌感染過程中的重要作用，同時表明除了IFN-Ⅰ反應(yīng)外，STING所介導(dǎo)的其他胞內(nèi)反應(yīng)對于控制該菌感染也很重要。

在伯克霍爾德菌屬(Burkholderiaspp.)的病原菌感染過程中觀察到了一種獨特的STING激活方式。在類鼻疽伯克霍爾德菌(B.pseudomallei)和泰國伯克霍爾德菌(B.thailandensis)感染的細胞中觀察到了多核巨細胞的產(chǎn)生，研究發(fā)現(xiàn)細菌可以通過其Ⅵ型分泌系統(tǒng)誘導(dǎo)相鄰細胞的融合，而融合細胞會造成有絲分裂異常，從而導(dǎo)致核損傷以及微核的形成。cGAS與微核的共定位證明了該融合現(xiàn)象對于STING的激活依賴于cGAS。隨后，STING依賴的自噬被激活，最終導(dǎo)致細胞死亡[14]。

衣原體(Chlamydia)是嚴格的細胞內(nèi)寄生病原體，呈現(xiàn)出雙相生命周期，包括復(fù)制相的網(wǎng)狀體和侵染相的原體。這兩個階段都可以激活STING途徑。Chlamydia可以通過產(chǎn)生c-di-AMP來調(diào)節(jié)其從網(wǎng)狀體向具有傳染性原體的轉(zhuǎn)變。這一過程中，c-di-AMP會被STING直接識別，誘導(dǎo)產(chǎn)生IFN-Ⅰ，進而活化炎性小體，清除致病菌，該過程以cGAS非依賴形式完成[15]。除此之外，STING介導(dǎo)的細胞死亡也是對抗Chlamydia感染的一種保護反應(yīng)[16]。Chlamydia和STING途徑之間相互作用關(guān)系錯綜復(fù)雜，后續(xù)的研究需要更多的在活體中進行，以明確STING介導(dǎo)的免疫反應(yīng)如何影響Chlamydia感染。

土拉弗朗西斯菌(F.tularensis)可以從吞噬體中逃逸并在宿主細胞胞質(zhì)中復(fù)制。在F.tularensis感染期間，DNA激活的STING和AIM2依賴的信號途徑共同發(fā)揮作用激活天然免疫反應(yīng)。F.tularensis能夠在宿主細胞胞內(nèi)進行復(fù)制，但仍有一些細菌會被裂解，導(dǎo)致細菌PAMPs釋放，其中DNA是最重要的PAMP，其誘導(dǎo)的IFN-Ⅰ導(dǎo)致AIM2炎性體被激活，最終導(dǎo)致IL-1β釋放和細胞焦亡[2]。

3 病原菌通過多種方式影響STING激活

鑒于STING在宿主識別和對抗細菌感染過程中的重要作用，細菌在長期與宿主的相互作用中，細菌進化出多種策略來抑制感染過程中STING的激活。細菌源的CDNs，如c-di-GMP，c-di-AMP是激活STING信號通路的PAMPs。分支桿菌屬(Mycobacterium)和鏈球菌屬(Streptococcus)細菌可以合成環(huán)狀二核苷酸磷酸二酯酶來降解CDNs，以避免宿主STING激活，實現(xiàn)逃避宿主免疫監(jiān)視的效果[17-18]。無乳鏈球菌(S.agalactiae)可以通過錨定在細胞壁外的核苷酸酶將存在于細菌外部的c-di-AMP降解為相應(yīng)的核苷單磷酸。值得注意的是，這種外核苷酸酶對宿主細胞合成的2′3′-cGAMP沒有作用。這種細胞外CDNs的自我降解機制避免了STING的過度激活，促進了細菌的毒力和感染[17]。然而，結(jié)核分支桿菌(Mycobacteriatuberculosis)的環(huán)狀二核苷酸磷酸二酯酶對細菌源的c-di-AMP和宿主細胞合成的2′3′-cGAMP都具有降解活性，說明其在感染過程中發(fā)揮雙重活性，一方面可以防止宿主STING識別c-di-AMP，另一方面能夠降解宿主2′3′-cGAMP，以防止STING的激活[18]。明確其他病原體是否也存在類似的免疫逃逸策略是今后重要的研究方向。

細菌感染過程中激活的一些胞內(nèi)反應(yīng)可以調(diào)節(jié)STING的表達和活性。眾多Brucella屬的菌株會在感染期間使STING表達下調(diào)，從而逃逸宿主的免疫識別。在感染過程中，其能夠通過T4SS依賴的形式誘導(dǎo)miR-24的表達。盡管miR-24也可以下調(diào)其他蛋白質(zhì)的表達，但體外分析表明STING是其在巨噬細胞中的主要靶標(biāo)，因為缺乏表達miR-24的基因座miR23a會使小鼠對該菌感染產(chǎn)生更高的抵抗力[19]。這表明通過誘導(dǎo)miR-24表達是Brucella屬細菌抑制STING的一種常見策略。除此之外，結(jié)核分支桿菌感染期間誘導(dǎo)的炎癥小體可以負調(diào)節(jié)STING。銜接分子凋亡相關(guān)斑點樣蛋白通過其Caspase募集結(jié)構(gòu)域與STING C末端結(jié)構(gòu)域相互作用，阻礙其與TBK1結(jié)合，從而抑制IFN-Ⅰ表達。還發(fā)現(xiàn)Mtb分泌的蛋白MmsA通過自噬促進STING降解從而抑制IFN-Ⅰ的產(chǎn)生[8]。

此外，細菌效應(yīng)蛋白抑制STING的激活也是細菌逃逸STING介導(dǎo)的免疫監(jiān)視的重要手段。耶爾森氏菌(Yersinia)分泌的效應(yīng)蛋白YopJ在該菌逃避宿主免疫反應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。YopJ是一種半胱氨酸蛋白酶，可以在多個信號通路中使靶點去泛素化。研究表明，YopJ與STING的相互作用能夠阻止STING從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向高爾基體的轉(zhuǎn)運，同時，去泛素化的STING會干擾STING-TBK1復(fù)合物的形成和IRF3的激活，從而封閉cGAS-STING依賴的IFN-Ⅰ表達[20]。此外，福氏志賀氏菌(Shigellaflexneri)效應(yīng)蛋白IpaJ通過阻斷STING從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體中間區(qū)室的轉(zhuǎn)位來有效抑制STING信號傳導(dǎo)[5]。

與上文所述的通過與宿主胞內(nèi)蛋白、核酸等大分子相互作用以抑制STING的方式不同，一項研究揭示了一種細菌效應(yīng)蛋白通過改變細胞內(nèi)離子水平來抑制宿主天然免疫的新機制[21]。假結(jié)核耶爾森氏菌(Yersiniapseudotuberculosis)的Ⅵ型分泌系統(tǒng)能夠分泌一種錳離子結(jié)合蛋白TssS，該蛋白能夠螯合胞內(nèi)錳離子，降低c-di-GMP與STING的結(jié)合能力，從而抑制宿主抗細菌天然免疫。有趣的是，在不同種屬細菌基因中都發(fā)現(xiàn)了具有類似功能的錳離子結(jié)合蛋白，提示細菌通過螯合金屬離子來抑制宿主天然免疫可能是一種普遍存在的、古老的免疫逃逸機制。

4 小結(jié)與展望

STING可以通過感受細菌或宿主產(chǎn)生的CDNs來識別細菌感染，而細菌則通過多種方式抑制STING激活。細菌與STING信號途徑的相互作用與其是革蘭氏陰性菌還是陽性菌、有無分泌系統(tǒng)并無明顯關(guān)系。盡管STING與細菌的相互作用的研究已取得長足進展，但仍有一些問題懸而未決。如細菌激活STING之后是否存在除了IFN-Ⅰ反應(yīng)和自噬之外其他的天然免疫反應(yīng)？細菌中是否還有未知的機制來抑制STING的激活？細菌感染過程中STING與適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的關(guān)系？這些問題都有待于進一步研究。鑒于STING在天然免疫系統(tǒng)中的核心作用，STING激動劑也可用作疫苗佐劑，用于刺激全局性免疫反應(yīng)，國內(nèi)外多個科研團隊已經(jīng)在這方面做出重要探索[22]。cGAS-STING信號通路的另一個重要激動劑—錳離子也在獸醫(yī)及人類健康領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景[23]。作為一種廉價易得的金屬離子，錳離子不但具有極強的抗病毒、抗腫瘤效果[24]，亦具有顯著的抗細菌感染能力[21]。盡管已經(jīng)有研究揭示了錳離子能夠增強獸用疫苗的免疫效果[25]，低成本STING激動劑在其他獸用疫苗或輔助治療中的重要價值仍值得進一步探索。