导读
胞质中双链 DNA（dsDNA）能够被免疫系统识别，其主要传感器之一是环 GMP-AMP 合成酶（cGAS），它以 ATP 和 GTP 为底物合成 3', 2'-cGAMP。cGAMPs 作为第二信使激活干扰素基因刺激因子（STING），而作为一种内质网驻留蛋白，STING 在 cGAMP 刺激后由内质网向高尔基体转运，这被认为是信号转导的关键步骤。
活化的 STING 利用其 C 端尾部募集并激活 TANK-binding kinase 1（TBK1）和转录因子干扰素调节因子 3（IRF3），诱导干扰素（IFN）刺激基因的转录，最终达到抗感染免疫应答。然而，STING 的异常激活与自身免疫性和自身炎症性疾病有关。因此，揭示 STING 的工作机制对于开发抗感染、抗肿瘤以及自身免疫性疾病的疗法具有重要意义。
近年来，虽然有研究报道了几例起病于婴儿期的 STING 相关血管病变（SAVI）患者伴有组成性 STING 激活，但这些 SAVI 患者的功能获得突变机制尚未得到解决。此外，STING 的 CTT 也被认为是结合自身的自抑制元件。然而，先前的结构研究从未捕获到尾端与 STING 其他部分结合的构象，这使人们对其在 STING 自抑制中的作用产生了怀疑。因此，如何抑制 STING 及其内质网滞留机制仍有待解决。
2023 年 4 月 21 日，山西高等创新研究院尚桂军团队、中科院微生物所高福团队、山西农业大学卢德芬团队以及南方科技大学王培毅团队合作在 Molecular Cell 发表了题为 The mechanism of STING autoinhibition and activation 的文章，在这项研究中，他们使用冷冻电镜测定了 apo 形式和 cGAMP 结合形式的 STING 结构，并观察到载脂蛋白 STING 的自关联，这为理解 STING 的自抑制和内质网滞留提供了结构基础。此外，他们还可视化了 cGAMP 结合的 STING 聚合物，这为其内质网出芽和转运提供了结构学解释。
总之，该研究提供了一个关于 STING 自抑制和激活的全景视图，大大增加了对 cGAS-STING 途径的理解。
来源：Molecular Cell
主要研究内容
载脂蛋白 STING 以低聚物形式存在
先前的研究已经确定 STIM1 是一个结合伴侣，支持 STING 的内质网滞留，不过一直缺乏令人信服的直接证据。通过实验，研究人员发现，在没有 cGAMP 处理的情况下，所有被测物种的 STING 都可以形成高阶低聚物。他们还观察到内源性载脂蛋白 STING 聚合物的存在，并且 cGAMP 的处理还增加了这些高阶低聚物的水平。
然后，他们通过受激发射损耗（STED）超分辨率显微镜和免疫胶体金电子显微镜确定内源性 STING 蛋白的亚细胞定位。与内质网标记物相比，在 STED 显微镜下检测到的 PAM 细胞内源性 STING 在内质网膜上没有弥漫性分布；相反，它似乎定位于内质网的一个亚结构域，通常连接两个内质网小管。这表明载脂蛋白 STING 可以形成低聚物，并且在静息状态下连接两个内质网膜。
来源：Molecular Cell
载脂蛋白 STING 的 LBDa2-loop-LBD-a3 在维持 STING 双分子层中起着至关重要的作用
为了了解载脂蛋白 STING 低聚物的详细组装机制，研究人员使用冷冻电镜（cryo-EM）在原子分辨率上确定其结构。发现载脂蛋白 STING 低聚物的整体结构呈现出与双层 STING 的线性组合。在每一层中，STING 二聚体通过并排包装与相邻的 STING 二聚体相互作用。从俯视图看，STING 二聚体和聚合物轴形成一个倾斜的交叉点。
进一步的研究发现，载脂蛋白 STING 低聚物的并排堆积主要由 LBDa2 和 LBDa3 螺旋之间的环介导。残基 D280 与邻近 STING 分子 LBDa3 中的残基 R286 和 R289 形成盐桥。两个相邻的 STING 分子之间的这种对称相互作用使 STING 聚合物从侧面相互连接。
为了测试这些残基在该界面中的功能重要性，他们测试了这些残基的诱变是否能够以不依赖于 cGAMP 的方式激活 STING。结果发现，与野生型 STING 相比，Q273E 突变体具有更高的 STING 通路基础磷酸化水平，更高的 IFN-β 报告基因活性，即使没有 cGAMP 刺激，也增加了 STING 聚集体的形成。
此外，他们还突变了 LBDa2-loop-LBD-a3 上的其他残基，如 Q276 和 G278，并研究了它们对 hSTING 自抑制的影响，发现 Q276K 突变体可能与邻近 STING 原聚体的 R281 产生电荷排斥，而 G278R 可能由于 R 侧链粗大而破坏界面。这两种突变均导致 STING 以不依赖 cGAMP 的方式激活，因此，LBDa2-loop-LBD-a3 在维持 STING 自抑制中起到重要作用。
来源：Molecular Cell
hSTING/cGAMP 的结构揭示了 LBD 和 TMD 的相互作用
通过晶体堆积分析和低温电镜研究，多个团队均发现 STING 配体通过并排堆积模式形成聚合物，但 cGAMP/STING 聚合物如何组装仍然不清楚。
通过 hSTING，该团队得到了一个聚合的 STING/cGAMP 复合物，并通过低温电镜对其结构进行了解析。从侧面看，整体结构呈曲线状；从俯视图看，STING 二聚体和聚合物轴形成垂直相交。相邻 STING 原体之间的相互作用不仅发生在胞质配体结合结构域（LBD）上，也存在于跨膜结构域（TMD）之间。
来源：Molecular Cell
STING 具有自抑制和活化作用
STING 的静息状态是由 LBD 通过顺式和反式的头对头和并排包装相互作用来维持的，而 STING 的活性状态是由 LBD 和 TMD 在顺式中的相互作用来稳定的。尽管 STING 的活性和非活性状态都采用封闭的构象，不过这两个盖子的构象是不同的。对于这两种状态，顺式相互作用都涉及到 LBDa2-loop-LBD-a3，但这两种状态下 LBDa2-loop-LBD-a3 的构象也不同。
将载脂 STING 的结构叠加到活性 hSTING 聚合物上，两个相邻的载脂 STING 二聚体在 LBDa2-loop-LBD-a3 区域发生严重冲突，表明 cGAMP 结合后 LBD 结构域收缩，减轻了对 TMD 的抑制作用。除了 LBD 在配体结合后发生重排外，TMD 和连接螺旋也发生构象变化。在静息状态下，TM3 与相邻的 STING 二聚体中的另一个 TM3 接近，而远离 TM1-TM2；然而，在活动状态下，每个 TM3 直接与相邻的 STING 二聚体的 TM1-TM2 接触。由于 LBD 二聚体在配体结合后向内运动，连接器螺旋出现挤压和扭曲向下倾斜的现象，这导致 TM2 和 TM3 之间的螺旋连接体向内运动，产生向外推动 TM2 和 TM3 的力。
考虑到 STING 通过头对头的模式参与 TBK1，载脂 STING 的头对头组装表明它可以阻止 TBK1 的募集并抑制信号转导。因此，载脂蛋白 STING 聚合物结构代表了 STING 的自抑制状态，并且 LBD 在维持其自抑制中起着重要作用。配体与 LBD 结合，则可通过破坏载脂蛋白 STING 聚合物内的顺式和反式相互作用，引起 LBD 和 TMD 的重排。
来源：Molecular Cell
结语
综上所述，在这项研究中，他们发现载脂蛋白 STING 可以组装成高阶低聚物。载脂蛋白 STING 表现出一个由其配体结合域（LBD）介导的头对头和并排包装的双层结构，这种结构将两个内质网膜结合在一起，不仅可以保持 STING 内质网滞留，还可以实现 STING 的自抑制。此外，他们还获得了 STING/cGAMP 复合物的丝状结构，该复合物采用 LBD 和跨膜结构域 (TMD) 介导的弯曲单层组装。
自抑制和活性 STING 的结构解析为了解 STING 的生理和病理作用提供了大量信息，并为合理设计药物以可控地调节 STING 活性提供了可能。
转自：“丁香学术”微信公众号
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