Mol Cell | 谭小军团队揭示STING的原始功能在于溶酶体生成

人体拥有多种天然免疫系统，以保证我们能抵抗病原体感染。其中，cGAS （cyclic GMP-AMP synthase，cGAMP synthase） - STING （stimulator of interferon genes） 天然免疫通路主要负责识别在细胞质中暴露的非正常DNA。最近10年，cGAS-STING通路受到了学术界和临床的高度关注，近日还获得了拉斯克基础医学奖。因为越来越多的证据表明，这条通路不仅会在感染时被激活，在包括癌症、细胞衰老和神经退行性病变等诸多其他生理病理条件下，也会被激活。其背后的原因有多种，包括内源DNA的泄漏，STING的激活突变，或者STING的降解途径失调等。活化的STING会强烈上调干扰素驱动的抗病毒反应，以及多种细胞因子驱动的炎症反应。虽然STING在宿主对抗微生物和癌症方面发挥关键作用，但在衰老和退行性疾病中STING的慢性激活反而会促进疾病发生。因此，全面理解cGAS-STING信号通路的分子机制和功能对相关疾病的防治至关重要。

值得注意的是，STING在干扰素和炎症方面的功能都来自于它对TBK1激酶的直接招募和激活，而只有脊椎动物的STING才进化出了执行这些功能的模块。然而，cGAS-STING信号通路高度保守。cGAS在细菌中有多种同源基因，而STING在昆虫和软体动物中也已经存在。那么，在STING进化出干扰素和炎症的功能之前，这个通路为什么重要？为什么多种看似毫不相关的细胞功能失调都能激活cGAS-STING？既然原始的cGAS-STING不能激活炎症，那么他们对细胞失调作出何种反应？这些功能在哺乳动物和人类中是否被保留，有什么生理意义？

近年来，STING在扰素和炎症以外的功能，有诸多报道。但哪些功能是STING的直接原始功能，一直是天然免疫领域悬而未决的重大问题。最近，麻省理工学院的Nir Hacohen团队和匹兹堡大学的谭小军（Jay Xiaojun Tan） 团队，分别报道了STING的质子通道功能。谭小军团队发现，STING的质子通道功能高度保守，它的出现早于其在扰素和炎症方面的活性。STING的质子通道直接导致其转运小泡的质子丢失，pH升高，进而激活质子泵以及“非经典自噬”。“非经典自噬”是个容易被误解的术语，其实它不是自噬，只是自噬蛋白ATG8被直接脂质化，从而链接在了质子泵所在的单层膜上，与拥有双层膜的自噬体无关。因此，非经典自噬，又名质子泵和ATG16L1介导的LC3脂质化 (V-ATPase-ATG16l1-induced LC3 lipidation, VAIL) ，或者单层膜上的ATG8脂质化 （conjugation of ATG8 to single membranes, CASM） 。既然非经典自噬不是自噬，那么，它的功能是什么，STING激活非经典自噬的生理意义在哪里？

2024年9月19日，匹兹堡大学医学院细胞生物学系衰老研究所谭小军团队在Molecular Cell期刊上发表了题为A TBK1-independent primordial function of STING in lysosomal biogenesis的研究论文。在这篇文章中，作者通过质谱筛选和生物信息学分析，发现了TFEB的激活是STING的一个全新重要功能，确认了这一功能在不同物种中的高度保守性，揭示了STING的质子通道功能在TFEB激活中的核心作用，阐明了非经典自噬中的GABARAP脂质化是STING-TFEB通路中的关键步骤，证明了STING通过TFEB的转录功能激活溶酶体生物合成以增强细胞稳态，并进一步发现了STING-TFEB通路在STING慢性激活状态下对于细胞抗压能力和生存能力的重要作用（图1）。TFEB作为溶酶体生成和自噬的关键转录因子，非常原始且高度保守。在进化上，TFEB等位基因的出现远早于脊椎动物，当然也远早于STING的干扰素和炎症功能的出现。近年来，TFEB和溶酶体在免疫中的作用逐渐被揭示并成为共识。因此，TFEB的激活以及溶酶体的生成，作为STING的重要原始功能，非常合理，其必然在原始天然免疫中发挥重要作用。STING的慢性激活在正常衰老和各种老年病中普遍存在，而STING-TFEB通路在这些情况下对于细胞的生存和抗压至关重要，因此这些发现对于衰老相关疾病的治疗具有重要指导意义。

为了寻找被STING激活的新转录因子，作者首先通过生物素无差别标记所有细胞质蛋白，在激活STING后分离出细胞核，随后进一步纯化出生物素标记的核蛋白（图2）。这一设计是为了找到所有受STING信号驱动后，从细胞质进入细胞核的蛋白。通过质谱分析，作者找到了一些已知会入核的STING下游蛋白， 然而其中并没有发现新的转录因子，甚至没有STING下游最知名的干扰素调节因子3 （IRF3） ，说明该筛选方法缺乏足够的灵敏度，未能挖掘出所有从胞质入核的蛋白。但是，研究者注意到，在检测到的入核蛋白中，14-3-3β非常靠前，而且它的入核能够被其他方法验证。14-3-3通常直接结合磷酸化蛋白，并将他们锁定在细胞质中以抑制这些蛋白的活性。此前的研究表明，14-3-3β所结合蛋白的去磷酸化可驱动14-3-3β入核。因此，STING的激活似乎导致了很多14-3-3β结合蛋白的去磷酸化。这与已知的STING下游TBK1激酶介导的经典磷酸化信号恰恰相反。通过一些列生物信息学分析，研究者从1000多个已知的14-3-3β结合蛋白中找到了17个通过去磷酸化而被激活的转录因子。通过检验他们的入核情况，作者发现TFEB等转录因子在STING激活以后会入核，而TFEB的一个抑制蛋白c-Myc则反之。这些结果表明，TFEB可能被STING激活了。鉴于TFEB在溶酶体生成、自噬和天然免疫方面的重要作用，作者决定进一步探究TFEB作为STING效应蛋白的可能性。

图2. 生物素标记追踪蛋白入核

通过多种途径验证，研究者发现，TFEB及其家族另一位成员TFE3是cGAS-STING天然免疫通路的重要且保守的效应蛋白。cGAS、cGAMP和STING是细胞质DNA激活TFEB/TFE3的必要成分。在多种没有内源性STING的细胞系中，稳定表达STING之后，可以重建STING-TFEB通路。值得一提的是，非洲爪蟾STING没有TBK1招募模块，因此其在干扰素和炎症方面的功能并不存在。然而，不仅人类和小鼠的STING可以激活TFEB，非洲爪蟾的STING也同样可以。因此，TFEB/TFE3的激活是cGAS-STING通路的一项原始功能（图3）。进一步研究证实，STING导致的TFEB激活，依赖于STING的胞内转运，但完全独立于TBK1。

图3. TFEB的激活是cGAS-STING通路的一项保守功能

接下来，研究者进一步探索阐明了STING激活TFEB/TFE3的核心机制（图4）。作者发现，他们先前报道的STING质子通道，介导了TFEB/TFE3激活。STING的质子通道，通过中和STING转运小泡的酸性pH，触发质子泵 （V-ATPase） 介导的单层膜上ATG8脂质化 （CASM） 。ATG8家族包括三个LC3基因和三个GABARAP基因；其中GABARAP脂质化为STING激活TFEB/TFE3提供了重要支撑。作者进一步发现，GABARAP的脂质化，通过抑制FLCN-FNIP-RagC/D信号轴从而阻止mTORC1介导的TFEB/TFE3磷酸化。因此，STING-GABARAP信号轴主要作用于mTORC1下游，选择性地抑制其对TFEB/TFE3的磷酸化活性。

图4. STING-TFEB通路的关键机制及抑制手段

随后，作者分析了STING激活TFEB的潜在生物学意义。通过RNA测序，作者发现STING激活了溶酶体和自噬基因的转录表达。这些结果得到了qRT-PCR实验的验证。同时，细胞生物学实验证明，STING的激活能显著增加溶酶体数量。因此，STING触发了独立于TBK1的转录反应，从而上调溶酶体和自噬小体的生物合成。

TFEB和cGAS-STING通路都与细胞衰老紧密相关。在多种衰老模型中，通过cGAS-STING通路引起的无菌性炎症对于诱导衰老，及衰老相关分泌表型（senescence associated secretion phenotype，SASP） 至关重要。TFEB/TFE3的激活和随后的溶酶体生成在维持衰老细胞的生存中起关键作用。由于慢性、无菌的cGAS/STING信号在衰老及老年病中很常见，作者探究了TFEB/TFE3是否维持细胞在此背景下的稳态。

在STING被持续慢性激活期间，野生型细胞停止生长，而TFEB/TFE3双敲除细胞则迅速死亡。与TFEB/TFE3双敲除细胞类似，通过各种不同的遗传突变手段破坏STING-TFEB信号轴以后，细胞在STING慢性激活时，也会迅速死亡。这些数据表明，STING-TFEB通路在慢性STING激活病理条件下，对于细胞的应激和存活至关重要。这类似于衰老细胞依赖于TFEB来抵抗细胞应激并维持生存。在未来的研究工作中，作者计划利用小鼠模型来进一步验证STING-TFEB这一通路并评估其对衰老和老年疾病的影响。

综上所述，该研究发现TFEB介导的溶酶体生成是STING的重要原始功能（图5）。该功能独立于TBK1激酶介导的干扰素上调和炎症反应。STING质子通道引发的GABARAP脂质化是TFEB激活的核心机制。STING-TFEB通路提高细胞的应激生存能力，对衰老相关疾病具有重要意义。

图5. TFEB介导的溶酶体生成是STING的重要原始功能

匹兹堡大学医学院细胞生物学系衰老研究所谭小军课题组的吕波博士为本文第一作者。朱伯开课题组的William A. Dion博士对本论文的RNA-seq分析有重大贡献。谭小军博士为该论文的通讯作者。

附：谭小军实验室诚邀有志青年加入，一起探索细胞应激的原理，揭示生命健康的真谛。实验室网站https://JayTanLab.org

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2024.08.026

制版人：十一

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