cGAS-STING (stimulator of interferon) 信號(hào)通路是許多多細(xì)胞動(dòng)物抵御病原體的重要機(jī)制。對(duì)人體細(xì)胞而言，當(dāng)細(xì)胞感知到異常DNA存在時(shí)，cGAS可催化2’,3’- cGAMP生成，后者能結(jié)合位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的STING，活化下游信號(hào)級(jí)聯(lián)，產(chǎn)生促抗病毒基因表達(dá)等一系列效應(yīng)1。

類似于cGAS-STING的信號(hào)通路同樣存在于細(xì)菌當(dāng)中，如基于環(huán)狀寡核苷酸的抗噬菌體信號(hào)系統(tǒng) (cyclic-oligonucleotide-based antiphage signaling system, CBASS) 。當(dāng)cGAS樣的CdnE識(shí)別噬菌體信號(hào)時(shí)，第二信使c-di-GMP生成。結(jié)合c-di-GMP的細(xì)菌STING蛋白發(fā)生寡聚化，介導(dǎo)殺死細(xì)菌或抑制細(xì)菌生長(zhǎng)的效應(yīng)，從而阻止噬菌體的播散1 (圖1)。細(xì)菌的STING通常由STING結(jié)構(gòu)域和TIR結(jié)構(gòu)域組成，后者具有NADase活性，可以催化NAD+的降解2。

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圖1. 人和細(xì)菌中相對(duì)應(yīng)的防御途徑1
2022年7月20日，來自哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Philip J. Kranzusch和Sichen Shao共同通訊，在Nature上在線發(fā)表了題為Cryo-EM structure of an active bacterial TIR–STING filament complex的科研論文，報(bào)道了處于活化狀態(tài)的Sphingobacterium faecium TIR-STING (SfSTING) 絲狀復(fù)合物3.3 ?的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合一系列生化和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，提出了CBASS抗噬菌體免疫過程中，STING絲狀復(fù)合物形成以及效應(yīng)結(jié)構(gòu)域活化的分子模型。
在c-di-GMP的作用下，SfSTING聚合形成的復(fù)合物可以表現(xiàn)為單一的細(xì)絲，抑或兩條細(xì)絲反向平行的結(jié)構(gòu)。對(duì)前者進(jìn)行進(jìn)一步結(jié)構(gòu)分析，可觀察到絲狀復(fù)合物由SfSTING二聚體側(cè)向堆積形成，在長(zhǎng)度上可延伸至300 nm之長(zhǎng)。SfSTING二聚體為二次對(duì)稱，V形的STING CDN結(jié)合結(jié)構(gòu)域 (CDN-binding domain, CBD) 位于TIR NADase結(jié)構(gòu)域上方 (圖2)。
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圖2. SfSTING二聚體及其側(cè)向堆積形成的絲狀結(jié)構(gòu)
除了SfSTING結(jié)合高親和力配體c-di-GMP的結(jié)構(gòu)外，研究人員還解析SfSTING結(jié)合其弱激活配體3’,3’-cGAMP的、處于半關(guān)閉狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步與處于開放狀態(tài)的apo結(jié)構(gòu)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)STING結(jié)合c-di-GMP后，其β-strand所形成的“蓋子”相較于結(jié)合3’,3’-cGAMP和apo時(shí)，分別發(fā)生了9°和25°的內(nèi)旋，R234與鳥嘌呤核苷Hoogsteen edge之間的相互作用使“蓋子”的閉合更為緊密 (圖3)。
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圖3. SfSTING結(jié)合c-di-GMP后“蓋子”區(qū)域的結(jié)構(gòu)變化
對(duì)于TIR結(jié)構(gòu)域而言，雖然此前已知其能夠作為NADase發(fā)揮作用，但是由于缺乏TIR處于活化狀態(tài)的結(jié)構(gòu)信息，其水解NAD+的機(jī)制始終不清楚。在本文的結(jié)構(gòu)中，研究人員觀察到在TIR高度保守的αC螺旋表面，F(xiàn)83、F85、L86、L89之間形成廣泛的疏水相互作用，介導(dǎo)二聚化的發(fā)生。通過與人源SARM1 TIR的活性位點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)SfSTING的NAD+結(jié)合口袋由兩部分構(gòu)成，分別為朝向煙酰胺的疏水氨基酸和朝向磷酸二酯鍵以及腺苷的核糖的親水氨基酸 (圖4)。
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圖4. TIR結(jié)構(gòu)域及其活性位點(diǎn)
在絲狀復(fù)合物形成的過程中，不同SfSTING二聚體之間的界面只有在結(jié)合c-di-GMP后才會(huì)暴露，表明了c-di-GMP的結(jié)合是成核的關(guān)鍵前提。二聚體之間的界面作為聚合的初級(jí)互作界面，促進(jìn)了絲狀復(fù)合物的側(cè)向堆積。在兩個(gè)絲狀復(fù)合物之間，對(duì)應(yīng)的STING結(jié)構(gòu)域 (分別稱STINGa和STINGb) 能夠通過靜電相互作用橋接，對(duì)應(yīng)的TIR結(jié)構(gòu)域之間以及STING結(jié)構(gòu)域和TIR結(jié)構(gòu)域之間也存在特定的相互作用，形成絲狀復(fù)合物的次級(jí)互作界面 (圖5)。
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圖5. 絲狀復(fù)合物形成的互作界面
在后續(xù)生化和細(xì)胞水平的驗(yàn)證中，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)介導(dǎo)STING-STING、STING-TIR或TIR-TIR互作的氨基酸殘基突變時(shí)，NADase的活性會(huì)受到顯著抑制，雖然SfSTING仍具備與底物結(jié)合的能力，但絲狀復(fù)合物的形成受到明顯的抑制。在能夠持續(xù)產(chǎn)生c-di-GMP的E.coli中表達(dá)相應(yīng)的突變體，發(fā)現(xiàn)SfSTING也失去了導(dǎo)致細(xì)菌生長(zhǎng)停滯的能力 (圖6)。
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圖6. 絲狀復(fù)合物形成及NADase活性發(fā)揮的機(jī)制
基于以上發(fā)現(xiàn)，作者提出了STING絲狀結(jié)構(gòu)形成以及效應(yīng)結(jié)構(gòu)域活化的分子模型：當(dāng)CdnE識(shí)別噬菌體信號(hào)后，c-di-GMP開始合成并結(jié)合于STING二聚體中央的腔隙中。STING“蓋子”結(jié)構(gòu)關(guān)閉，成核相關(guān)的接觸位點(diǎn)被暴露。STING-STING以及STING-TIR之間的相互作用驅(qū)動(dòng)絲狀復(fù)合物的延伸，而絲狀復(fù)合物的形成所導(dǎo)致的TIR-TIR之間的相互作用介導(dǎo)了NAD+在活性位點(diǎn)的降解。
原文鏈接
https://www.nature.com/articles/

s41586-022-04999-1

參考文獻(xiàn)
參考文獻(xiàn)
1. Jenson J, Chen ZJ. Bacteria sting viral invaders. Nature. 2020 Oct;586(7829):363-364.

2. Morehouse BR, Govande AA, Millman A, Keszei AFA, Lowey B, Ofir G, Shao S, Sorek R, Kranzusch PJ. STING cyclic dinucleotide sensing originated in bacteria. Nature. 2020 Oct;586(7829):429-433.

來源：結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心