Путь зондирования цитозольной ДНК CGAS – STING - CGAS–STING cytosolic DNA sensing pathway

В Путь cGAS – STING является составной частью врожденная иммунная система который функционирует для обнаружения присутствия цитозольный ДНК и в ответ запускают экспрессию воспалительных генов, которые могут привести к старение[1] или к активации защитных механизмов. ДНК обычно находится в ядро ячейки. Локализация ДНК в цитозоль связан с туморогенез, популярный инфекция и инвазия некоторыми внутриклеточными бактериями.[2] Путь cGAS - STING позволяет обнаруживать цитозольную ДНК и вызывать иммунный ответ.

Связывая ДНК, белок циклический GMP-AMP Синтаза (cGAS ) запускает реакцию GTP и ATP с образованием циклического GMP-AMP (cGAMP). цГАМФ связывается со стимулятором генов интерферона (STING ) который запускает фосфорилирование из IRF3 через TBK1. IRF3 может затем перейти к ядру, чтобы запустить транскрипция воспалительных генов. Этот путь играет решающую роль в обеспечении иммунной защиты от двухцепочечной ДНК. вирусы.

Врожденная иммунная система полагается на зародышевый закодированный рецепторы распознавания образов (PRR) для распознавания различных патоген-ассоциированные молекулярные паттерны (PAMP). После распознавания PAMP PRR генерируют сигнальные каскады, ведущие к транскрипции генов, связанных с иммунным ответом. Потому что все патогены используют нуклеиновая кислота размножаться, ДНК и РНК могут быть распознаны PRR для запуска иммунной активации. В нормальных клетках ДНК ограничена ядро или же митохондрии. Присутствие ДНК в цитозоле указывает на клеточное повреждение или инфекцию и приводит к активации генов, связанных с иммунным ответом. Один из способов распознавания цитозольной ДНК - это путь cGAS / STING, в частности, с помощью синтазы циклического GMP-AMP (cGAS). После распознавания ДНК cGAS димеризуется и стимулирует образование циклического GMP-AMP (cGAMP). cGAMP затем связывается непосредственно со стимулятором генов интерферона (STING), который запускает фосфорилирование / активацию фактора транскрипции IRF3 через TBK1. IRF3 способен проникать в ядро, чтобы способствовать транскрипции воспалительных генов, таких как IFN-β.

Циклическая GMP-AMP-синтаза (cGAS)

Структура

cGAS - это 522 аминокислота белок и член нуклеотидилтрансфераза семья. N-концевые остатки 1-212 необходимы для связывания дцДНК. Эта область может содержать два разных ДНК-связывающих домена. С-концевые остатки 213-522 содержат часть мотива нуклеотидилтрансферазы (NTase) и домен Mab21 и являются высококонсервативными в cGAS от рыбок данио до людей. Эти области необходимы для формирования каталитического кармана для субстратов cGAS: GTP и АТФ, и провести необходимую реакцию циклизации.[3][4][5]

Функция

cGAS находится на плазматической мембране[6] и отвечает за обнаружение цитозольной двухцепочечной ДНК, обычно обнаруживаемой в ядре клетки, чтобы стимулировать выработку IFN-β. При прямом связывании цитозольной ДНК cGAS образует димеры, чтобы катализировать образование 2’3’-cGAMP из АТФ и ГТФ. Затем cGAMP действует как второй мессенджер, связываясь с STING, чтобы запустить активацию фактора транскрипции IRF3. IRF3 приводит к транскрипции IFN-β типа 1. cGAS не может продуцировать 2’3’-cGAMP в присутствии РНК.

Открытие

До открытия cGAS было известно, что интерферон-бета продуцируется в присутствии цитозольной дцДНК и что STING-дефицитные клетки неспособны продуцировать интерферон в присутствии дцДНК. Посредством биохимического фракционирования клеточных экстрактов и количественной масс-спектрометрии Sun et al.[7] идентифицировали cGAS как ДНК-чувствительный белок, способный запускать интерферон бета путем синтеза второго мессенджера, 2’3’-cGAMP. Эта активность зависит от цитозольной ДНК.

Ферментативная активность

cGAS катализирует образование cGAMP в присутствии дцДНК. cGAS напрямую связывает дцДНК через положительно заряженные аминокислотные остатки, взаимодействующие с отрицательно заряженным фосфатным остовом ДНК. Мутации в положительно заряженных остатках полностью отменяют связывание ДНК и последующее производство интерферона посредством STING. После связывания дцДНК cGAS димеризуется и претерпевает конформационные изменения, которые открывают каталитический карман связывания нуклеотидов, позволяя GTP и АТФ войти. Здесь они стабилизируются за счет укладки оснований, водородных связей и двухвалентных катионов, чтобы катализировать образование фосфодиэфирной связи с образованием циклического динуклеотида cGAMP.

Циклический GMP-AMP (cGAMP)

Основная статья: Циклическая GMP-AMP-синтаза

Структура

Циклический GMP-AMP (cGAMP) - это циклический динуклеотид (CDN), который впервые встречается у многоклеточных животных. Другие CDN (c-di-GMP и c-di-AMP) обычно встречаются у бактерий, архей и простейших. Как следует из названия, цГАМФ представляет собой циклическую молекулу, состоящую из одного аденинмонофосфата (АМФ) и одного гуанинмонофосфата (GMP), соединенных двумя фосфодиэфирными связями. Однако цГАМФ отличается от других CDN тем, что он содержит уникальные фосфодиэфирные связи между 2 ’OH GMP и 5’ фосфатом AMP.[8] Другая связь находится между 3 ’OH AMP и 5’ фосфатом GMP. Уникальная 2’-5’-фосфодиэфирная связь может быть выгодной, поскольку она менее подвержена разложению, вызываемому 3’-5 ’фосфодиэстеразами. Другие преимущества уникальной 2’-5 ’связи могут заключаться в том, что cGAMP способен связывать несколько аллельных вариантов STING, обнаруженных в человеческой популяции, в то время как другие CDN, состоящие только из 3’-5’ связей, не могут.

cGAS, связанный с дцДНК. Адаптировано из PDB 4O6A.[9]

Открытие

cGAMP был открыт Джеймсом Ченом и его коллегами.[10] путем сбора цитоплазматических экстрактов из клеток трансфицированный с разными типами ДНК. Клеточные экстракты анализировали на активацию STING путем обнаружения активированных димеров IRF3. С помощью аффинная очищающая хроматография, активирующее STING вещество очищали и использовали масс-спектрометрию для идентификации этого вещества как циклического GMP-AMP (cGAMP).

Было показано, что химически синтезированный цГАМФ запускает активацию IRF3 и продукцию IFN-β. Было обнаружено, что цГАМФ намного более эффективен, чем другие циклические динуклеотиды (ц-ди-GMP и ц-ди-АМФ). Было показано, что cGAMP окончательно связывает STING с помощью радиоактивно меченного cGAMP. сшитый в STING. Было обнаружено, что добавление немеченого цГАМФ, ц-ди-GMP или ц-ди-АМФ конкурирует с радиоактивно меченным цГАМФ, что позволяет предположить, что сайты связывания CDN перекрываются. Позже было показано, что cGAMP имеет уникальную 2’-5 ’фосфодиэфирную связь, которая отличается от обычных 3’-5’ связанных CDN, и что эта связь может объяснять некоторые из уникальных сигнальных свойств cGAMP.[8]

Стимулятор генов интерферона (СТИНГ)

Основная статья: Стимулятор генов интерферона

STING - это эндоплазматический ретикулум резидентный белок, и было показано, что он напрямую связывается с множеством различных циклических динуклеотидов.[8]

Выражение

STING широко экспрессируется во многих типах тканей как иммунного, так и неиммунного происхождения.[11] STING был идентифицирован в эмбриональных фибробластах мыши и необходим для интерферон 1 типа ответ как в иммунных, так и в неиммунных клетках.[12]

Структура

STING - это белок из 378 аминокислот. Его N-концевой участок (остатки 1–154) содержит четыре трансмембранных домена. Его C-концевой домен содержит домен димеризации, домен взаимодействия циклических динуклеотидов, а также домен, ответственный за взаимодействие и активацию TBK1. После связывания 2’-3 ’cGAMP, STING претерпевает значительные конформационные изменения (примерно на 20 ангстрем внутрь вращения), которые включают cGAMP.

STING связан с cGAMP. Хотя STING существует в виде гомодимера, показано, что только одна субъединица подчеркивает взаимодействие остатков боковой цепи с cGAMP. Адаптировано из PDB 4KSY [13]

Функция

После связывания 2’-3 ’cGAMP (и других бактериальных CDN) STING активирует TBK1 для фосфорилирования нижестоящих факторов транскрипции IRF3, что вызывает ответ IFN 1 типа, и STAT6, что вызывает хемокины Такие как CCL2 и CCL20 независимо от IRF3.[14] Также считается, что STING активирует NF-κB фактор транскрипции через деятельность IκB киназа (IKK), хотя механизм активации NF-κB ниже STING еще предстоит определить. Сигнальные пути, активируемые STING, объединяются, чтобы вызвать врожденный иммунный ответ на клетки с эктопической ДНК в цитозоле. Потеря активности СТИНГА подавляет способность эмбриональные фибробласты мыши для борьбы с инфекцией определенными вирусами и, в более общем смысле, необходим для ответа IFN типа 1 на введенную цитозольную ДНК.[12]

Было высказано предположение, что общая роль STING как адапторной молекулы в ответе цитозольной ДНК-интерферона 1 типа 1 между типами клеток осуществляется посредством дендритные клетки (DC). DC связывают врожденную иммунную систему с адаптивной иммунной системой через фагоцитоз и MHC презентация чужеродного антигена. Ответ IFN типа 1, инициированный DC, возможно, через распознавание фагоцитированной ДНК,[15] имеет важный костимулирующий эффект. Это недавно привело к предположению, что 2’-3 ’cGAMP можно использовать в качестве более эффективного и прямого адъюванта, чем ДНК, для индукции иммунных ответов.

Аллельная вариация

Встречающиеся в природе вариации STING человека (hSTING) были обнаружены в позиции 232 аминокислоты (R232 и H232). Варианты H232 имеют пониженный ответ IFN 1-го типа[16] и мутация в этом положении до аланина отменяет ответ на бактериальные CDN. Также были обнаружены замены, усиливающие связывание лиганда. Было показано, что замены G230A увеличивают передачу сигнала hSTING при связывании c-di-GMP. Этот остаток находится на крышке связывающего кармана, возможно, увеличивая связывающую способность c-di-GMP.[17]

Биологическое значение пути cGAS-STING

Роль в вирусном ответе

Путь cGAS-cGAMP-STING способен генерировать интерферон бета в ответ на цитозольную ДНК. Было показано, что ДНК-вирусы, такие как HSV-1, способны запускать продукцию цГАМФ и последующую активацию интерферона бета через STING. РНК-вирусы, такие как VSV или же Сендайский вирус, не могут вызвать интерферон через cGAS-STING. Мыши с дефектом cGAS или STING не могут продуцировать интерферон в ответ на инфекцию HSV-1, что в конечном итоге приводит к смерти, в то время как мыши с нормальной функцией cGAS и STING могут выздороветь.

Ретровирусы, такие как ВИЧ-1, также было показано, что они активируют IFN через путь cGAS / STING. В этих исследованиях ингибиторы обратной транскрипции ретровирусов подавляли продукцию IFN, что позволяет предположить, что именно вирусная кДНК активирует cGAS.[18]

Роль в надзоре за опухолью

Путь cGAS / STING также играет роль в наблюдении за опухолью. В ответ на клеточный стресс, такой как повреждение ДНК, клетки активируют NKG2D лиганды, так что они могут быть распознаны и уничтожены Природный убийца (NK) и Т-клетки. Во многих опухолевых клетках ответ на повреждение ДНК является конститутивно активным, что приводит к накоплению цитоплазматической ДНК. Это активирует путь cGAS / STING, ведущий к активации IRF3. На клетках лимфомы было показано, что лиганд NKG2D, Rae1, активируется в зависимости от STING / IRF3. Трансфекция ДНК в эти клетки также запускала экспрессию Rae1, которая зависела от STING. В этой модели фактор транскрипции IRF3 через cGAS / STING активирует стресс-индуцированные лиганды, такие как Rae1, в опухолевых клетках, чтобы способствовать NK-опосредованному удалению опухоли. [19]

Роль в аутоиммунном заболевании

Цитоплазматическая ДНК из-за вирусной инфекции может привести к активации бета-интерферона, чтобы помочь избавиться от инфекции. Однако хроническая активация STING из-за ДНК хозяина в цитозоле также может активировать путь cGAS / STING, что приводит к аутоиммунным нарушениям. Пример этого происходит в Синдром Айкарди – Гутьера (AGS). Мутации в 3 ’экзонуклеазе репарации, TREX1, вызывают накопление эндогенных ретроэлементов в цитозоле, что может приводить к активации cGAS / STING, что приводит к продукции IFN. Чрезмерное производство IFN приводит к чрезмерной активности иммунной системы, что приводит к AGS и другим иммунным нарушениям. У мышей было обнаружено, что аутоиммунные симптомы, связанные с дефицитом TREX1, облегчались нокаутом cGAS, STING или IRF3, что указывает на важность аберрантного зондирования ДНК при аутоиммунных расстройствах.[18]

Роль в клеточном старении

Было показано, что истощение cGAS и STING в эмбриональных фибробластах мыши и в первичных фибробластах человека предотвращает старение и SASP (секреторный фенотип, связанный со старением ) учреждение.[20][1]

Терапевтическая роль

Было показано, что ДНК является мощным адъювантом для усиления иммунного ответа на антигены, кодируемые вакцинами. cGAMP через активацию STING IRF3 стимулирует транскрипцию интерферона. Это делает цГАМФ потенциальным адъювантом вакцины, способным усиливать воспалительные реакции.[8] Исследования показали, что вакцины, кодируемые куриным антигеном, овальбумин (OVA) в сочетании с cGAMP, были способны активировать антиген-специфические Т- и В-клетки STING-зависимым образом in vivo. Было показано, что при стимуляции пептидом OVA Т-клетки мышей, вакцинированных OVA + cGAMP, имеют повышенный уровень IFN-g и Ил-2 по сравнению с животными, получавшими только OVA.[21] Кроме того, повышенная стабильность цГАМФ благодаря уникальной 2’-5’-фосфодиэфирной связи может сделать его предпочтительным адъювантом к ДНК для приложений in vivo.

Рекомендации

  1. ^ а б Ян Х, Ван Х, Рен Дж, Чен Кью, Чен ЗДж (июнь 2017 г.). «cGAS необходим для клеточного старения». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 114 (23): E4612 – E4620. Дои:10.1073 / pnas.1705499114. ЧВК  5468617. PMID  28533362.
  2. ^ Уотсон Р.О., Белл С.Л., Макдафф Д.А., Кимми Дж. М., Дайнер Э. Дж., Оливас Дж. И др. (Июнь 2015 г.). «Цитозольный датчик cGAS обнаруживает ДНК Mycobacterium tuberculosis, чтобы индуцировать интерфероны I типа и активировать аутофагию». Клеточный хозяин и микроб. 17 (6): 811–819. Дои:10.1016 / j.chom.2015.05.004. ЧВК  4466081. PMID  26048136.
  3. ^ Ablasser A, Schmid-Burgk JL, Hemmerling I, Horvath GL, Schmidt T., Latz E, Hornung V (ноябрь 2013 г.). «Внутренний иммунитет клетки распространяется на клетки-свидетели через межклеточный перенос цГАМФ». Природа. 503 (7477): 530–4. Bibcode:2013Натура.503..530А. Дои:10.1038 / природа12640. ЧВК  4142317. PMID  24077100.
  4. ^ Ли И, Лу Дж, Хан И, Фан Х, Дин С.В. (октябрь 2013 г.). «РНК-интерференция действует как механизм противовирусного иммунитета у млекопитающих». Наука. 342 (6155): 231–4. Bibcode:2013Наука ... 342..231Л. Дои:10.1126 / science.1241911. ЧВК  3875315. PMID  24115437.
  5. ^ Kranzusch PJ, Vance RE (декабрь 2013 г.). «Димеризация cGAS затрудняет распознавание ДНК». Иммунитет. 39 (6): 992–4. Дои:10.1016 / j.immuni.2013.11.012. PMID  24332024.
  6. ^ Barnett KC, Coronas-Serna JM, Zhou W, Ernandes MJ, Cao A, Kranzusch PJ, Kagan JC (март 2019 г.). «Фосфоинозитидные взаимодействия: позиционируйте cGAS на плазматической мембране, чтобы обеспечить эффективное различие между собственной и вирусной ДНК». Клетка. 176 (6): 1432–1446.e11. Дои:10.1016 / j.cell.2019.01.049. ЧВК  6697112. PMID  30827685.
  7. ^ Сунь Л., Ву Дж, Ду Ф, Чен Х, Чен ЗДж (февраль 2013 г.). «Циклическая GMP-AMP-синтаза представляет собой цитозольный ДНК-сенсор, который активирует путь интерферона I типа». Наука. 339 (6121): 786–91. Bibcode:2013Наука ... 339..786S. Дои:10.1126 / science.1232458. ЧВК  3863629. PMID  23258413.
  8. ^ а б c d Diner EJ, Burdette DL, Wilson SC, Monroe KM, Kellenberger CA, Hyodo M и др. (Май 2013). «Датчик ДНК врожденного иммунитета cGAS производит неканонический циклический динуклеотид, который активирует STING человека». Отчеты по ячейкам. 3 (5): 1355–61. Дои:10.1016 / j.celrep.2013.05.009. ЧВК  3706192. PMID  23707065.
  9. ^ PDB: 4O6A​
  10. ^ Ву Дж, Сун Л., Чен Х, Ду Ф, Ши Х, Чен С., Чен ЗДж (февраль 2013 г.). «Циклический GMP-AMP является вторичным эндогенным посредником в передаче сигналов врожденного иммунитета цитозольной ДНК». Наука. 339 (6121): 826–30. Bibcode:2013Наука ... 339..826Вт. Дои:10.1126 / science.1229963. ЧВК  3855410. PMID  23258412.
  11. ^ «Выражение TMEM173». Генные карты.
  12. ^ а б Исикава Х., Ма З., Парикмахер Г.Н. (октябрь 2009 г.). "STING регулирует внутриклеточный ДНК-опосредованный интерферон-зависимый врожденный иммунитет типа I". Природа. 461 (7265): 788–92. Bibcode:2009Натура.461..788I. Дои:10.1038 / природа08476. ЧВК  4664154. PMID  19776740.
  13. ^ PDB: 4KSY​
  14. ^ Burdette DL, Monroe KM, Sotelo-Troha K, Iwig JS, Eckert B, Hyodo M и др. (Сентябрь 2011 г.). «STING - это датчик прямого врожденного иммунитета циклического ди-GMP». Природа. 478 (7370): 515–8. Bibcode:2011Натура 478..515Б. Дои:10.1038 / природа10429. ЧВК  3203314. PMID  21947006.
  15. ^ Woo SR, Fuertes MB, Corrales L, Spranger S, Furdyna MJ, Leung MY и др. (Ноябрь 2014 г.). «STING-зависимое цитозольное распознавание ДНК опосредует распознавание иммуногенных опухолей врожденным иммунитетом». Иммунитет. 41 (5): 830–42. Дои:10.1016 / j.immuni.2014.10.017. ЧВК  4384884. PMID  25517615.
  16. ^ Цай X, Чиу Ю., Чен З. Дж. (Апрель 2014 г.). «Путь cGAS-cGAMP-STING зондирования и передачи сигналов цитозольной ДНК». Молекулярная клетка. 54 (2): 289–96. Дои:10.1016 / j.molcel.2014.03.040. PMID  24766893.
  17. ^ Йи Дж., Брендель В.П., Шу К., Ли П., Паланатан С., Ченг Као С. (2013). «Однонуклеотидные полиморфизмы человеческого STING могут влиять на врожденный иммунный ответ на циклические динуклеотиды». PLOS ONE. 8 (10): e77846. Bibcode:2013PLoSO ... 877846Y. Дои:10.1371 / journal.pone.0077846. ЧВК  3804601. PMID  24204993.
  18. ^ а б Гао Д., Ву Дж., Ву Ю. Т., Ду Ф, Аро С., Ян Н. и др. (Август 2013). «Циклическая GMP-AMP-синтаза - сенсор врожденного иммунитета ВИЧ и других ретровирусов». Наука. 341 (6148): 903–6. Bibcode:2013Наука ... 341..903G. Дои:10.1126 / science.1240933. ЧВК  3860819. PMID  23929945.
  19. ^ Лам А.Р., Берт Н.Л., Хо С.С., Шен Ю.Дж., Тан Л.Ф., Сюн Г.М. и др. (Апрель 2014 г.). «Лиганды RAE1 для рецептора NKG2D регулируются с помощью STING-зависимых сенсорных путей ДНК в лимфоме». Исследования рака. 74 (8): 2193–2203. Дои:10.1158 / 0008-5472.CAN-13-1703. ЧВК  4229084. PMID  24590060.
  20. ^ Glück S, Guey B, Gulen MF, Wolter K, Kang TW, Schmacke NA и др. (Сентябрь 2017 г.). «Врожденное иммунное восприятие фрагментов цитозольного хроматина через cGAS способствует старению». Природа клеточной биологии. 19 (9): 1061–1070. Дои:10.1038 / ncb3586. ЧВК  5826565. PMID  28759028.
  21. ^ Ли XD, Wu J, Gao D, Wang H, Sun L, Chen ZJ (сентябрь 2013 г.). «Основные роли передачи сигналов cGAS-cGAMP в противовирусной защите и иммунных адъювантных эффектах». Наука. 341 (6152): 1390–4. Bibcode:2013Научный ... 341.1390L. Дои:10.1126 / science.1244040. ЧВК  3863637. PMID  23989956.