5月10日，國際著名免疫學(xué)雜志Immunity在線發(fā)表了中國科學(xué)院生物物理研究所劉志杰,、程根宏（海外團(tuán)隊）,、張榮光課題組在重要天然免疫系統(tǒng)信號分子STING結(jié)構(gòu)與功能研究方面的合作研究成果,。該論文題為“Structural Analysis of the STING Adaptor Protein Reveals a Hydrophobic Dimer Interface and Mode of Cyclic di-GMP Binding”,。
天然免疫反應(yīng)是機(jī)體抵抗病原體入侵、保護(hù)自身的第一道防線,。自2008年以來,，關(guān)于干擾素刺激因子STING（STimulator of INterferon Genes,，又名MITA，ERIS或MPYS）通過引起I型干擾素的產(chǎn)生激發(fā)機(jī)體天然免疫反應(yīng)的一系列研究引起了人們的廣泛關(guān)注,。
美國邁阿密大學(xué)醫(yī)學(xué)院癌癥研究中心的Glen N. Barber課題組分別于2008年10月和2009年10月在Nature上報導(dǎo)稱,，新發(fā)現(xiàn)的STING是啟動機(jī)體天然免疫系統(tǒng)抵抗細(xì)菌或病毒感染的重要分子。武漢大學(xué)舒紅兵院士課題組發(fā)現(xiàn),，STING作為天然免疫抗病毒信號接頭分子,，將病毒感知受體和IRF3激活,、I型干擾素產(chǎn)生聯(lián)系起來,。后來的研究還發(fā)現(xiàn)，E3泛素連接酶RNF5與STING相互作用,，并負(fù)調(diào)節(jié)病毒觸發(fā)的下游信號通路,。北京大學(xué)蔣爭凡教授課題組報道了STING引起I型干擾素產(chǎn)生的信號通路激活需要STING二聚化。他們還發(fā)現(xiàn)了一條通過STING-TBK1活化轉(zhuǎn)錄因子STAT6,，從而連接天然免疫與適應(yīng)性免疫的信號傳導(dǎo)通路,，為人們進(jìn)一步認(rèn)識免疫系統(tǒng)如何防御病原微生物感染的機(jī)制提供了新思路。2010年,，日本學(xué)者Akira課題組發(fā)表文章稱,，TRIM56與STING相互作用并泛素化STING K150位點(diǎn)。該泛素化修飾誘導(dǎo)STING二聚化,，而二聚化又是STING募集TBK1,、引起干擾素產(chǎn)生的前提條件。然而,，該研究不能解釋胞質(zhì)內(nèi)的TRIM56蛋白是如何實現(xiàn)跨膜（因為153-173肽段是預(yù)測的最后一個跨膜區(qū)）泛素化STING K150位點(diǎn),。2011年9月，Burdette等人發(fā)現(xiàn),，STING在病原菌和病毒感染時角色不同：既是病原菌所分泌的第二信使cyclic di-GMP（c-di-GMP）的感受因子（sensor）,，又是宿主感知病毒核酸產(chǎn)生I型干擾素反應(yīng)的信號接頭分子（adaptor）。該研究發(fā)表在Nature上,，引起天然免疫領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注,。
總之，近年來有關(guān)STING的大量研究報導(dǎo)表明了該分子在天然免疫信號通路中的重要性,。同時,，不同課題組間某些研究結(jié)果的不一致性更加激發(fā)了人們對STING進(jìn)行更深入探討的熱情。
STING蛋白包含一個預(yù)測的N端五次（有的文獻(xiàn)認(rèn)為四次）跨膜部分（1-173aa）和C端胞內(nèi)可溶部分（174-379aa）,，如圖1所示,。有關(guān)N端的功能目前仍不清楚，但和其在細(xì)胞內(nèi)定位有關(guān),。C端胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域（C-terminal domain, CTD）可通過募集相互作用分子而行使重要功能,。STING氨基酸序列與PDB中任何已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)沒有同源性,，預(yù)示它可能擁有獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)。此外,，到目前為止,，仍有許多關(guān)鍵科學(xué)問題懸而未決，如STING激活TBK1-IRF3信號通路的分子機(jī)制,，TRIM56如何實現(xiàn)跨膜泛素化STING K150的,，STING是如何結(jié)合c-di-GMP的？針對以上問題,，研究人員開展了針對STING CTD的結(jié)構(gòu)生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)研究,。
圖1：STING全長的二級結(jié)構(gòu)組織模式。它包含N端跨膜區(qū)和C端可溶結(jié)構(gòu)域CTD,。
圖2：STING同源二聚體功能模型,。A：STING與c-di-GMP復(fù)合物結(jié)構(gòu)（側(cè)面）模型。STING的N-端是預(yù)測的4次跨膜結(jié)構(gòu),，C-端通過疏水性相互作用形成二聚體,，c-di-GMP結(jié)合在STING二聚體相互作用界面上的溝槽中。粉紅色區(qū)域為預(yù)測的最后一個跨膜區(qū)（153-173aa）,，實際上是STING二聚體形成的疏水性相互作用界面,。 B: STING與c-di-GMP復(fù)合物結(jié)構(gòu)（頂面）模型。
針對上述科學(xué)問題,，生物物理所研究人員等綜合運(yùn)用了X-射線晶體學(xué),、生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)，先后解析了STING CTD以及STING CTD與c-di-GMP二元復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu),。發(fā)現(xiàn)STING CTD具有一種獨(dú)特的構(gòu)架（如圖2所示）,，并闡明了STING CTD形成功能性二聚體的分子機(jī)制。文獻(xiàn)報道的最后一個跨膜區(qū)（153-173aa）其實并不是跨膜區(qū),，而是STING CTD形成同源二聚體的疏水相互作用界面,。STING CTD與c-di-GMP以一種全新的模式結(jié)合。據(jù)研究人員所知,，該結(jié)構(gòu)是第一個發(fā)表的哺乳動物來源的蛋白質(zhì)與c-di-GMP形成的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu),。此外，研究還發(fā)現(xiàn)c-di-GMP能促進(jìn)STING與TBK1結(jié)合,，誘導(dǎo)I型干擾素的產(chǎn)生,，從而激發(fā)機(jī)體抵抗病原體入侵的免疫反應(yīng)。
該研究工作的完成有助于深入了解STING在天然免疫信號通路中的作用,，為揭示宿主細(xì)胞感知病原菌入侵的分子機(jī)制提供了直接的結(jié)構(gòu)生物學(xué)證據(jù),，同時也為設(shè)計新的環(huán)鳥苷二磷酸類似物疫苗佐劑或免疫治療藥物奠定了基礎(chǔ)。
該項研究工作得到科技部,、國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院的資助,。國家大科學(xué)裝置上海光源SSRF和美國勞倫斯伯克利國家實驗室ALS提供了衍射數(shù)據(jù)收集的支持,。(生物谷：Bioon.com)
doi:10.1016/j.immuni.2012.03.019
PMC:
PMID:
Structural Analysis of the STING Adaptor Protein Reveals a Hydrophobic Dimer Interface and Mode of Cyclic di-GMP Binding
Songying Ouyang, Xianqiang Song, Yaya Wang, Heng Ru, Neil Shaw, Yan Jiang, Fengfeng Niu, Yanping Zhu, Weicheng Qiu, Kislay Parvatiyar, Yang Li, Rongguang Zhang, Genhong Cheng, Zhi-Jie Liu
STING is an essential signaling molecule for DNA and cyclic di-GMP (c-di-GMP)-mediated type I interferon (IFN) production via TANK-binding kinase 1 (TBK1) and interferon regulatory factor 3 (IRF3) pathway. It contains an N-terminal transmembrane region and a cytosolic C-terminal domain (CTD). Here, we describe crystal structures of STING CTD alone and complexed with c-di-GMP in a unique binding mode. The strictly conserved aa 153–173 region was shown to be cytosolic and participated in dimerization via hydrophobic interactions. The STING CTD functions as a dimer and the dimerization was independent of posttranslational modifications. Binding of c-di-GMP enhanced interaction of a shorter construct of STING CTD (residues 139–344) with TBK1. This suggests an extra TBK1 binding site, other than serine 358. This study provides a glimpse into the unique architecture of STING and sheds light on the mechanism of c-di-GMP-mediated TBK1 signaling.
