专题文献速递 | 核酸与先天免疫

背景

cGAS-STING途径是细胞内DNA识别和先天免疫反应的关键信号通路。当细胞感知到异常的DNA，如病毒DNA或线粒体DNA(mtDNA)时，cGAS（环状GMP-AMP合酶）被激活。之前发表在Science 上的文章DNA-induced liquid phase condensation of cGAS activates innate immune signaling（Science, 2018, 361: 704-709）探讨了cGAS（环状GMP-AMP合酶）在感知细胞质DNA并激活先天免疫反应中的作用。

cGAS是一种DNA感应酶，能够将GTP和ATP转化为环状GMP-AMP（cGAMP），从而激活适配蛋白STING，进一步诱导I型干扰素和其他细胞因子的产生。在细胞质中，cGAS与DNA结合形成焦点，但其分子机制和功能效应尚不清楚。研究团队发现，cGAS与DNA结合会诱导形成类似液体的滴状结构，即cGAS-DNA液滴，这一过程中cGAS被激活。cGAS的无序且带正电的N末端增强了cGAS-DNA的相分离，增加了DNA结合的价数。长链DNA比短链DNA在促进cGAS液相分离和cGAS酶活性方面更有效。此外，游离的锌离子通过促进cGAS-DNA相分离，增强了cGAS酶的活性。实验结果表明，cGAS-DNA相分离是一个关键的调控机制，涉及细胞质中大的无膜蛋白焦点的形成，促进cGAMP的产生和先天免疫信号的传递（图1）。研究还发现，cGAS在细胞内形成大的颗粒与DNA结合，这些颗粒与细胞器和囊泡不同，且含有活性cGAS。

这项研究提供了对cGAS如何被DNA激活以及如何调节先天免疫反应的新见解，并为开发新的免疫调节疗法提供了可能的靶点。研究结果还表明，锌离子在cGAS活性的细胞内调节中发挥重要作用，通过促进cGAS的相分离来增强其活化。这些发现有助于深入理解cGAS活性是如何被精确调控的，以触发对病原体的适当免疫反应，同时避免对自身组织的自身免疫反应。

图1 dsDNA与cGAS的 识别和组装经历LLPS（原Figure 1A）

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aat1022

除了经典的双链DNA诱导的先天免疫, 近期发表在Nature 上的R-loop-derived cytoplasmic RNA-DNA hybrids activate an immune responses（Nature, 2023, 613: 187-194）探讨了R-loops（一种由RNA和DNA组成的三链核酸结构）在细胞质中的积累如何激活免疫反应。

研究发现，当核R-loops的动态平衡被干扰时，比如通过耗尽RNA-DNA解旋酶Senataxin (SETX)或乳腺癌基因BRCA1，会导致XPG和XPF依赖性的细胞质杂交体形成。这些细胞质杂交体与模式识别受体cGAS和TLR3结合，激活IRF3并诱导凋亡。研究还观察到在SETX突变的共济失调-眼球运动性共济失调2型(AOA2)患者细胞以及BRCA1突变的癌细胞中，也出现了类似的细胞质杂交体积累和由R-loop诱导的先天免疫反应。这些发现揭示了RNA-DNA杂交体作为免疫原性物质，它们在R-loop处理过程中异常积累在细胞质中，将R-loop积累与通过先天免疫反应的细胞死亡联系起来。异常的R-loop处理和随后的先天免疫激活可能对许多疾病，如神经退行性疾病和癌症有所贡献。研究使用了多种技术，包括cytoDRIP（细胞质DNA-RNA杂交体免疫沉淀）和cytoDRIP-seq（细胞质DNA-RNA杂交体测序），来分析细胞质中的RNA-DNA杂交体。

结果表明，这些杂交体源自具有特定核苷酸特征的稳定、汇聚的核R-loops的一小部分。此外，研究表明cGAS和TLR3可以直接识别由R-loop产生的细胞质RNA-DNA杂交体，并在细胞质和内溶酶体中激活IRF3介导的信号传导。这项研究的发现不仅为理解R-loops在疾病中的作用提供了新的视角，而且可能为开发针对这些过程的治疗方法提供了新的靶点（图2）。

图2 R-loop异常激活先天免疫模式图（原extended data）

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05545-9

DNA除了激活cGAS，也会被细胞的其他受体识别。近期Science Immunology上发表的 Schlafen 11 triggers innate immune responses through its ribonuclease activity upon detection of single- stranded DNA（Science Immunology, 2024, 9）探讨了Schlafen 11（SLFN11）如何通过其核糖核酸酶活性，在检测到单链DNA（ssDNA）时触发先天免疫反应。

研究发现，细胞内ssDNA的积累在病原体感染或疾病期间是常见的，但其是否以及如何激发先天免疫系统尚不清楚。作者们通过筛选短ssDNA库，发现含有特定CGT基序的ssDNA能以序列特异性方式诱导细胞因子表达和细胞死亡。SLFN11被鉴定为一种由ssDNA激活的核糖核酸酶，对于由细胞内ssDNA和腺相关病毒（AAV）感染引起的先天免疫反应至关重要。SLFN11通过其羧基末端结构域直接结合含有CGT基序的ssDNA，识别后转移到细胞质中，并通过其氨基末端的核糖核酸酶活性切割转运RNA（tRNA），这是激活下游细胞因子表达和细胞死亡的关键步骤。小鼠中缺乏Slfn9（SLFN11的小鼠同源物）表现出对CGT ssDNA诱导的炎症、急性肝炎和脓毒症的抵抗力。

研究揭示了CGT ssDNA和SLFN11/9作为一类免疫刺激性核酸和模式识别受体，并概念上将DNA免疫感应与控制的核糖核酸酶激活和tRNA切割联系起来。SLFN11的发现不仅为理解细胞如何感知并响应细胞内ssDNA提供了新的见解，也为开发新的免疫调节疗法提供了潜在的靶点。

原文链接：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/sciimmunol.adj5465

有趣的是，除了cGAS自身组装成凝聚体外，这篇发表在Nature Communications的文章介绍了趋化因子配体CXCL4在先天免疫识别中的新机制。CXCL4 assembles DNA into liquid crystalline complexes to amplify TLR9-mediated interferon-α production in systemic sclerosis（Nature communications, 2019, 10）这篇文章探讨了系统性硬化症（SSc）的免疫学机制，特别是CXCL4蛋白在其中的作用。

SSc是一种以纤维化和血管病变为特征的慢性自身免疫疾病。研究发现，CXCL4不仅是SSc早期血清生物标志物，还可能通过化学信号通路促进炎症。研究团队揭示了CXCL4在SSc中的一个新机制，即CXCL4能够组织自身和微生物DNA形成液晶状免疫复合物，这些复合物放大了TLR9介导的浆细胞样树突状细胞（pDC）的高激活和干扰素-α的产生。这一过程不依赖于CXCL4的受体CXCR3。研究人员通过实验观察到CXCL4与DNA结合并保护DNA免受酶降解的能力，并通过小角X射线散射（SAXS）技术证明了CXCL4形成液晶状复合物。这些复合物的DNA间距与TLR9的最佳激活尺寸相匹配，从而有效激活了pDCs。此外，研究还发现CXCL4-DNA复合物在SSc患者体内存在，并与血液中的I型干扰素（IFN-I）水平相关。这项研究建立了CXCL4过表达与SSc中IFN-I基因签名之间的直接联系，并提出了一种新的范例，即化学因子可以显著调节先天免疫受体，而无需作为直接激动剂。这些发现不仅对于理解SSc的发病机制具有重要意义，也为开发新的治疗策略提供了可能的靶点。研究还指出，CXCL4的免疫调节作用不仅限于通过CXCR3的经典信号功能，还包括将DNA组织成具有强烈免疫调节作用的液晶状超分子复合物的意外能力。这些发现为SSc以及其他慢性疾病和正常免疫反应的免疫治疗提供了新的视角。

图3 CXCL4-DNA 凝胶复合物模式图（原F6）

另外，《Science Signaling》杂志上发表的MARCH8 attenuates cGAS-mediated innate immune responses through ubiquitylation （Science Signaling, 2022, 15）探讨了一种名为MARCH8的E3泛素连接酶对cGAS介导的天然免疫反应的调节作用。

MARCH8被鉴定为cGAS信号传导的负调节因子。研究表明，MARCH8通过其保守的RING-CH结构域与cGAS的活性核心相互作用，并催化cGAS在Lys411位点的K63连接的多泛素化。这种泛素化事件抑制了cGAS的DNA结合能力，损害了cGAMP的产生，从而减弱了下游的天然免疫反应。研究还发现，在MARCH8基因敲除的小鼠中，它们对单纯疱疹病毒1型（HSV-1）的感染具有较低的敏感性。这揭示了MARCH8通过特定泛素化对cGAS功能的调节机制，为天然免疫反应的微调提供了新的见解。

文章详细介绍了MARCH8与cGAS相互作用的生化验证、MARCH8对cGAS-STING信号通路的抑制作用、MARCH8在DNA病毒触发的天然免疫中的功能，以及MARCH8介导的cGAS泛素化对cGAS-DNA结合能力及酶活性的影响。此外，研究还探讨了MARCH8在体内外对抗病毒天然免疫中的作用，以及MARCH8在调节免疫应答中的潜在机制。

总的来说，这篇研究为理解cGAS活性的精细调控机制提供了重要信息，并可能为治疗自身免疫性疾病提供新的靶点。

图4 MARCH8 是 cGAS-STING 信号转导的负调节因子（原Figure 1）

原文链接：https://doi.org/10.1126/scisignal.abk3067

外来的DNA以及其他内源性DNA被先天免疫受体识别并组装起来，这一过程涉及一系列复杂的生化反应。DNA-免疫受体复合物的组装可能是其中关键性的一步，深入理解DNA如何激活免疫受体对相关药物的研发具有重要意义。免疫受体的激活可以引发产生Ⅰ型干扰素和促炎细胞因子，这对于构建对入侵病原体的有效防御至关重要。此外，DNA-免疫受体复合物的复杂组装不仅启动了即时的免疫反应，还调节了适应性免疫系统，形成了更有针对性和持久的防御。扩展我们对DNA如何与免疫受体相互作用的知识是非常必要的，原因有几个。

首先，它为理解免疫系统的基础生物学及其区分自我和非自我的能力提供了洞见。其次，理解这些机制可以为治疗自身免疫疾病（如自身免疫病）或免疫缺陷疾病（如免疫缺陷状态）的新药物靶点的发现提供线索。此外，随着免疫疗法和基因编辑等治疗方法的出现，这些方法通常涉及对免疫系统对DNA反应的操控，深入理解DNA-免疫受体相互作用变得越来越重要。这可能有助于设计能够微调免疫反应的疗法，增强其对疾病如癌症的效力，同时最小化不良反应。

总之，阐明DNA-免疫受体复合物识别和组装所涉及的生化过程是一项关键的努力，它承诺为治疗开发打开新的途径。它处于免疫学研究的前沿，为通过调节免疫反应来管理和治疗各种疾病提供了充满希望的前景。