立方膜結(jié)構(gòu)（Cubic membranes）是哥倫比亞大學(xué)的Pappas和Brandt于1959年在變形蟲細(xì)胞中最先觀察到的由線粒體膜形成的三維周期性膜立方相結(jié)構(gòu)。此后60多年有數(shù)百篇的文章報(bào)道類似的立方膜結(jié)構(gòu)幾乎存在于所有生命體的各種細(xì)胞中，并可以從任何一種細(xì)胞膜變化而來。如藍(lán)藻類囊體膜、植物韌皮部立方膜。動(dòng)物細(xì)胞中，立方膜經(jīng)常出現(xiàn)在病理（感染、腫瘤及自身免疫病）條件下，如各種病原微生物感染誘導(dǎo)不同細(xì)胞器膜產(chǎn)生立方膜，其中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)立方膜結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期被作為激活cGAS-STING通路的乙肝病毒HBV或艾滋病毒HIV感染的病理學(xué)標(biāo)志。尤其令人大惑不解的是，大量臨床研究發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)艾滋病患者的淋巴細(xì)胞內(nèi)存在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)立方膜。然而，至今為止人們對(duì)這些奇異膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的原因和功能幾乎一無所知。與此相關(guān)的奇特現(xiàn)象是：由于該類結(jié)構(gòu)被不同研究者在不同細(xì)胞的不同細(xì)胞器膜發(fā)現(xiàn)，它們的起因和功能又都未知，因此有超過130種不同的命名。

cGAS是胞質(zhì)內(nèi)的雙鏈DNA或Mn²⁺受體，還是一個(gè)二核苷酸環(huán)化酶。被DNA和/或Mn²⁺激活的cGAS合成第二信使2’3′-cGAMP，后者進(jìn)一步激活STING（MITA/ERIS），最終激活機(jī)體的抗病毒天然免疫反應(yīng)；而Mn²⁺單獨(dú)激活的cGAS以一種效率更高的路徑合成2’3′-cGAMP。STING是分布于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的4次跨膜蛋白，與2’3′-cGAMP結(jié)合后需要發(fā)生轉(zhuǎn)運(yùn)，離開內(nèi)質(zhì)網(wǎng)經(jīng)高爾基體到高爾基體來源的小膜泡。STING活化為什么需要這種高爾基體的轉(zhuǎn)運(yùn)一直很不清楚。最近北京大學(xué)蔣爭(zhēng)凡實(shí)驗(yàn)室通過基于STING過度活化導(dǎo)致細(xì)胞死亡而進(jìn)行的全基因組CRISPR/Cas9篩選，發(fā)現(xiàn)高爾基內(nèi)合成的硫酸化糖胺聚糖是STING的共配體（coligands），對(duì)STING-TBK1的多聚化及活化至關(guān)重要（Fang et al., 2021, Immunity）。重要的是，cGAS也會(huì)被泄露到細(xì)胞質(zhì)的自身DNA或者細(xì)胞內(nèi)累積的Mn²⁺激活，在抗腫瘤免疫，自身免疫病，細(xì)胞損傷及衰老等過程中發(fā)揮重要作用。Mn²⁺和PD-1抗體聯(lián)合使用的“錳免療法”可顯著增強(qiáng)PD-1抗體的腫瘤治療效果。類似的Mn²⁺通過激活cGAS-STING通路促進(jìn)腫瘤治療的方法也被國(guó)內(nèi)外多個(gè)實(shí)驗(yàn)室所發(fā)現(xiàn)或證實(shí)。

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目前蛋白質(zhì)相分離的研究大都集中在可溶性蛋白；而相分離參與天然免疫調(diào)節(jié)的研究剛剛開始，僅有的兩個(gè)報(bào)道發(fā)現(xiàn)cGAS與DNA結(jié)合后導(dǎo)致cGAS蛋白相分離。2021年4月8日，生命科學(xué)學(xué)院/北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心蔣爭(zhēng)凡實(shí)驗(yàn)室在Nature Cell Biology上以Research Article形式在線發(fā)表了他們?cè)谔烊幻庖呒暗鞍踪|(zhì)相分離領(lǐng)域的最新成果“The STING Phase-Separator Suppresses Innate Immune Signaling”。本研究工作發(fā)現(xiàn)在DNA病毒感染后期的細(xì)胞內(nèi)可觀察到未進(jìn)行高爾基體轉(zhuǎn)運(yùn)的STING蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜形成不少有高度液滴性質(zhì)的凝集體，非常類似于可溶性蛋白的相分離液滴。更令人驚奇的是，光鏡-電鏡聯(lián)合技術(shù)并結(jié)合免疫電鏡顯示STING蛋白形成的凝集體是一個(gè)由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜形成的、高度特化的內(nèi)部像拼圖樣（Puzzle-like）的膜結(jié)構(gòu)；三維重組顯示在細(xì)胞核周圍形成“蜂窩狀”的“類細(xì)胞器”樣結(jié)構(gòu)，非常類似于艾滋病患者淋巴細(xì)胞中廣泛存在的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)“立方膜結(jié)構(gòu)”。他們利用純化STING全長(zhǎng)蛋白在體外重建了相分離體系，并進(jìn)行了一系列的機(jī)制研究。發(fā)現(xiàn)超過一定濃度（閾值）的2’3′-cGAMP可以強(qiáng)烈誘導(dǎo)STING蛋白發(fā)生相分離；而Mn²⁺可顯著降低所需的2’3′-cGAMP濃度。細(xì)胞質(zhì)中，病毒感染后活化的cGAS持續(xù)性地產(chǎn)生并且累積2’3′-cGAMP，而目前尚沒有發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)內(nèi)特異性降解2’3′-cGAMP的磷酸酯酶。這些結(jié)果提示：細(xì)胞內(nèi)適度水平的2’3′-cGAMP會(huì)誘導(dǎo)STING轉(zhuǎn)運(yùn)至高爾基體并發(fā)生抗病毒天然免疫通路的活化；而在病毒感染后期，細(xì)胞內(nèi)過度累積的2’3′-cGAMP則能夠誘導(dǎo)留存在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、沒有被活化的STING蛋白發(fā)生相分離。后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示STING相分離產(chǎn)生的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜“立方膜結(jié)構(gòu)”可能通過在空間上將STING-TBK1與關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子IRF3進(jìn)行“隔離”，進(jìn)而負(fù)調(diào)節(jié)cGAS-STING通路。因此，這個(gè)由細(xì)胞內(nèi)高濃度2’3′-cGAMP觸發(fā)、Mn²⁺促進(jìn)、STING蛋白相分離形成的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)立方膜結(jié)構(gòu)被命名為“STING相分離器”（STING Phase-Separator），像細(xì)胞內(nèi)的“2’3′-cGAMP-STING-TBK1海綿”吸附并隔離天然免疫關(guān)鍵分子，以防止天然免疫的過度活化（如圖所示）。

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這些結(jié)果也提示60余年前發(fā)現(xiàn)的存在于幾乎所有生命體各種細(xì)胞內(nèi)的各類立方膜結(jié)構(gòu)的形成可能受相關(guān)跨膜蛋白相分離的驅(qū)動(dòng)；而由膜蛋白相分離形成的這類膜結(jié)構(gòu)是細(xì)胞正常生命活動(dòng)的一部分，并在多種生理、病理過程中扮演重要角色。因此，通過蛋白相分離的角度研究這些細(xì)胞內(nèi)獨(dú)特膜結(jié)構(gòu)的形成與生理學(xué)功能，尤其是病理學(xué)功能可能具有重要的理論及實(shí)際意義。

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2016級(jí)博士生于曉彧為論文的第一作者，生命科學(xué)學(xué)院/北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的蔣爭(zhēng)凡教授為通訊作者。生命科學(xué)學(xué)院2019級(jí)博士生張瀝元幫助了本項(xiàng)研究。本研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、北京大學(xué)“細(xì)胞增殖與分化”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及“北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心”的資助。

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來源：北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院