導讀

近幾十年來，對免疫系統如何識別和應對病原體的了解，推動了生物學和醫學領域的里程碑式進步。

今年的拉斯克基礎醫學研究獎授予了陳志堅教授，因其發現 cGAS，cGAS 是一種可以感知外來和自身 DNA（自身異常的、位于細胞內的 DNA）的酶，cGAS-STING 通路的定義為理解和治療人類疾病開辟了新視野。

至于這個領域如何一步步發展起來，拉斯克基金委員會邀請專家專門撰文回顧，陳教授的貢獻主要是哪些？

理查德·弗拉維爾、埃森?·塞菲克｜撰文

深究科學 | 編譯

01

DNA 與免疫

1953 年，DNA 結構的發現將生物學推向了前所未有的時代。它催生了分子生物學領域，并帶來了非凡的發現。反過來，分子生物學應用于所有生物學領域，將這些領域轉變為現在的狀態。

人們意識到 DNA 可以被免疫系統來區分自身和非自身。病原微生物侵入高等生物體內所有潛在的區域，包括我們細胞的內部。這在病毒身上最為明顯，因為它們的“生命”依賴于細胞內階段，但它同樣適用于原核和真核病原體，它們可以侵入相同的區域為自己謀利。當人們意識到 DNA 本身可能具有炎癥性時，這就帶來了一個問題： 我們的細胞如何區分自身和非自身 DNA？

大部分答案來自于這樣的認識：免疫系統將細胞錯誤區域（最常見的是細胞質）中的 DNA 識別為必須對抗的入侵信號。

今年的拉斯克基礎醫學研究獎表彰了 DNA 被免疫系統感知機制的發現——陳志堅發現了環鳥苷酸-腺苷酸合酶 (cGAS)。cGAS 與 DNA 結合，使其能合成環鳥苷酸-腺苷酸 (cGAMP)，進而使干擾素 (IFN) 基因刺激物 (STING) 通過轉錄因子 IRF3 激活 IFN 反應。cGAS 的發現和下游通路的定義具有重大的基礎和生物醫學意義。

02

先天免疫識別的現代時代

自 20 世紀中葉以來，免疫學家一直在思索免疫系統為何能對“外來”抗原作出反應，而對自身抗原一般不產生反應。

1989 年，查爾斯·珍妮薇二世（Charles Janeway Jr）在當年的冷泉港研討會上發表了一篇開幕論文，提出了一個新理論來解釋這一現象。他描述了所謂的 “大自然的骯臟小秘密” ，即免疫系統實際上不會對絕對純的蛋白質產生適應性免疫反應，而當抗原被微生物成分污染時，它很容易產生適應性免疫反應。他推測，造成這種情況的原因是我們的生殖系基因組編碼了所謂的模式識別受體 (PRR)，他提出這種受體能夠識別微生物特異性成分，他稱之為病原體相關分子模式 (PAMP)，而哺乳動物等后生動物不會產生這些成分。他進一步提出，這些受體的刺激會觸發適應性免疫反應，從而能夠對與“微生物分子模式”相關的抗原產生反應，而這些抗原是 PRR 的假設配體。

他的理論的實驗證據來自斯特拉斯堡研究無脊椎動物的朱爾斯·霍夫曼和布魯諾·勒梅特以及兩個研究哺乳動物系統的實驗室：魯斯蘭·梅德日托夫在查理自己的實驗室直接檢驗他的假設，亞歷山大·波爾托拉克和布魯斯·貝特勒研究脂多糖 (LPS) 識別的遺傳基礎。

這三項研究導致發現了 Toll 樣受體 (TLR) 蛋白家族，該家族能夠檢測多種微生物編碼的 PAMP。現在我們知道， TLR 是由一個具有分工的基因家族編碼的，該家族成員可以識別多種微生物碳水化合物、脂蛋白甚至核酸，包括單鏈和雙鏈 RNA 以及 DNA。當被激活時，TLR 傳遞的信號會誘導細胞因子 IFN 和其他引發強烈免疫反應的關鍵分子。由于這些受體存在于細胞表面或囊泡膜上，識別成分直接進入囊泡，因此它們可以監視細胞外空間或囊泡空間，而囊泡空間本身通過內吞機制與外界相連。

事實上，編碼此類 PRR 基因的遺傳消除會消除宿主或其細胞對給定微生物損傷作出反應的能力。我們現在知道，TLR 通常看到的是微生物，而不是嚴格的“病原體”，但 Janeway 的聰明見解是正確的，并將免疫學推向了“先天免疫”的新時代。現在還了解到，TLR 和 PRR 還可以識別組織和細胞損傷釋放的各種分子，通常稱為損傷或危險相關分子模式或 DAMP，從而將這一領域更廣泛地擴展到病理學。

微生物侵襲并不局限于活的后生動物的細胞外空間。RNA 病毒感染細胞并將其核酸基因組注入真核或原核細胞的各種區域，并在這些區域中以病毒 RNA 的形式表達，必須將這些基因組和亞基因組成分與受感染細胞胞質中的宿主核酸區分開來。事實上，人們迅速發現了多種 PRR 蛋白，包括 RIG-I 和 MDA-5，它們能夠通過幾種獨特的特征特異性識別病毒 RNA，從而將病毒與宿主核酸區分開來；當這些 PRR 被激活時，它們會觸發抗病毒反應的產生。

大量病毒具有 DNA 基因組，大量細菌和其他病原體（它們本身具有 DNA 基因組）可以感染細胞質，這兩種情況都會導致細胞內部暴露于微生物 DNA。因此，人們開始尋找能夠識別 DNA 的 PRR。

03

識別 DNA 的模式識別受體

從 Shizuo Akira 及其同事的研究已經得知，內皮細胞 TLR9 可以識別 DNA 并誘導 I 型干擾素，同樣清楚的是，這不太可能是一種能夠在細胞質中實現 DNA 感應的機制，因為 TLR9 將其識別元素投射到囊泡或細胞外空間。早在 DNA 被證實為遺傳物質之前，它本身似乎就能夠刺激免疫反應，但其發生的原因尚不清楚。

事實上，1908 年，發現并定義吞噬細胞的 Ilya Metchnikov 在他的諾貝爾獎演講中指出，我們現在知道含有 DNA 的物質會招募保護性免疫細胞來對抗微生物，盡管當時還不清楚是如何做到這一點的。事實上，健康細胞的細胞質基本上沒有游離 DNA。

2006 年，實驗證明將雙鏈 DNA 輸送到細胞的細胞質中可以誘導強烈的先天免疫反應，包括產生 I 型干擾素。因此，細胞質 DNA 具有炎癥性，因此必須存在檢測它的系統，包括 DNA 解旋酶在內的幾種 DNA 結合蛋白被認為是潛在的 DNA 傳感器，但尚未出現明確的候選者。

隨后在 2008 年，邁阿密大學醫學院 Glen Barber 和武漢大學的舒兵團隊發現了一種關鍵蛋白質，Barber 將其稱為 STING，該蛋白質可以驅動細胞產生大量的 I 型 IFN。

2009年， DNA 本身被證明是這一過程的驅動因素，這讓學術界大為驚訝。然而，由于 STING 本身并不直接感知 DNA，因此其如何運作一直是個謎。

04

陳志堅教授開始登場

陳志堅在中國長大，并在那里接受了本科教育。1986 年，他來到美國，在紐約州立大學布法羅分校獲得博士學位。在索爾克研究所短暫從事博士后研究后，他進入工業界，為包括 VELCADE 在內的重要藥物的發現做出了貢獻。他很快成為德克薩斯大學西南醫學中心分子生物學系的助理教授。在那里，他為當時蓬勃發展的先天免疫領域做出了許多重要貢獻，特別是通過研究 RNA 識別如何向線粒體抗病毒信號蛋白 (MAVS) 發出信號，該蛋白在線粒體上提供了一個介導信號傳導到 IFN 產生的平臺 。

cGAS-STING信號通路的激活

陳志堅選擇回答以下科學問題： 如果 STING 對 DNA 有反應但不結合 DNA，那么是什么激活劑能讓 STING 觸發 IFN 產生？ 他選擇了一個兩步系統，用 DNA 刺激缺乏 STING 的細胞；他和他的同事推斷，如果 STING 不存在，那么這些細胞應該會積累激活它的配體。然后，他們將這些細胞的提取物應用于第二組細胞，他們想知道 STING 是否因此被激活，使用一種測定法作為眾所周知的 IFN 轉錄調節劑 IRF3 的激活，介導 STING 激活的分子的生化純化導致鑒定出 cGAMP，這是一種全新的二核苷酸。

這種分子的化學合成證實它確實能夠誘導 IFN-β。此外，感染 RNA 病毒的細胞無法誘導 cGAMP，而感染 DNA 病毒則會導致這種核苷酸水平升高。此外，cGAMP 直接結合 STING 并誘導 IRF-3 的磷酸化，IRF-3 是導致誘導 I 型 IFN 和 IFN 反應基因的關鍵轉錄因子。

05

發現 cGAS 和 cGAS-STING 通路

為了檢測負責合成 cGAMP 的酶，陳志堅和他的同事采用了蛋白質純化生物化學方法。通過使用 cGAMP 合成作為檢測方法進行連續純化，他們發現了三個潛在的候選物。其中一個是令人興奮的候選物，與之前描述的核苷酸合酶具有同源性，即 2′-5′ 寡腺苷酸合酶，它本身是一種由 IFN 誘導的重要酶，其蛋白質結構與其他環核苷酸合酶相關。

陳志堅和同事隨后克隆了編碼候選“DNA 檢測器”蛋白的基因，他們將其命名為環 GMP-AMP 合酶 (cGAS)。通過對該基因進行誘變進行結構-功能關聯證實了這一預測，即這確實 是 一種具有這種特性的酶，并且假定的催化氨基酸的突變消除了 cGAS 誘導 IRF3 的能力。

通過 RNA 干擾 cGAS 基因的功能喪失實驗，細胞無法通過胞質 DNA 誘導 IFN-β。最后，陳志堅及其同事表明，純化的 cGAS 可以與 DNA 結合，從而誘導其從 ATP 和三磷酸鳥苷 (GTP) 酶促合成 cGAMP 的能力。cGAS 酶的生化作用機制、DNA 如何將其開啟以及 cGAMP 如何激活 STING 被迅速闡明。隨后對 cGAS 的體內生物學有了了解，將缺乏該酶的小鼠與野生型小鼠進行比較，發現 cGAS 在生理上參與 DNA 病毒檢測和抵抗。然而，很明顯，cGAS 不僅參與病毒識別，還參與識別其他病原體，例如駐留在細胞質中且其 DNA 可檢測到的細胞內細菌。有趣的是，cGAS 可以通過將 RNA 逆轉錄為 DNA 來識別 HIV 等逆轉錄病毒，然后 DNA 被酶識別。

06

對自身免疫疾病和癌癥的新認識

大約 5% 的人類患有自身免疫性疾病。這些自身免疫性疾病中有幾種表現出 IFN 特征，可能與細胞質 DNA 的積累有關。
重要的是，TREX1 缺陷會導致細胞質 DNA 積累，TREX1 是一種專門破壞細胞質 DNA 的酶，包括從受損細胞器（如線粒體或細胞核）中積累的 DNA。TREX1 缺乏是艾卡迪·古蒂爾雷斯綜合征 (AGS) 的病因之一，這是一種罕見的自身免疫性神經疾病，腦脊液中 IFN 水平較高。華盛頓大學的 James Chen 和 Dan Stetson 分別表明，缺乏 TREX1 的小鼠體內積累的 DNA 通過 cGAS 介導其致病性：具體而言，cGAS 缺乏可挽救 TREX1 缺乏的致死性。同樣，Nagata 發現 DNaseII 負責破壞吞噬細胞囊泡中積聚的 DNA，而 DNAII 的缺失也會導致自身免疫。這種表型也因 cGAS 缺乏而得到阻止。
這些令人興奮的結果預測，如果 DNA 積聚在某個個體的細胞質中，它將激活 cGAS-STING 通路，驅動 IFN 反應，并可能像這些小鼠模型一樣導致自身免疫。現在越來越多的線索支持這一論點。

cGAS 現在與各種自身免疫性疾病有關，特別是具有 IFN 特征的疾病，如系統性紅斑狼瘡 (SLE)。在某些 SLE 患者中，血清中檢測到了升高的 cGAMP 水平，這強烈暗示 cGAS 激活和 TREX1 突變與某些形式的 SLE 有關。人們還對 cGAS 在神經退行性疾病（如阿爾茨海默病、帕金森病、ALS 和黃斑變性以及其他炎癥性神經系統疾病）中的作用的可能性產生了濃厚的興趣。其中一些疾病與線粒體 DNA 泄漏到細胞質中有關，這是激活 cGAS 的候選機制。出于所有這些原因，抑制這種酶是生物醫學研究中炎癥生物學研究的關鍵目標之一，這并不奇怪。

鑒于免疫系統的陰陽性質，人們考慮通過刺激 cGAS 來增強免疫反應，而不是抑制它來減弱免疫反應。這在癌癥免疫療法的應用中最為明顯，DNA 和 cGAS 的刺激作用有望提供輔助作用，并以類似于檢查點抑制的方式啟動抗腫瘤反應。由于核苷酸化學多年來一直是癌癥化療最先進的領域之一，這一事實使得這一方法更加有效。

事實上，多種證據表明，cGAS-STING 通路會導致腫瘤微環境中的炎癥，這種影響很復雜，通常取決于癌癥的類型、進展階段和正在考慮的治療類型。許多研究都集中于這一領域，看到這些研究的成果將令人興奮。

07

展望未來

cGAS-STING 通路研究是免疫生物學中一個熱門的研究領域。同樣明顯的是，cGAS 的發現開啟了生物醫學科學的新紀元。了解 cGAS 系統在人類疾病中的重要性，并針對自身免疫、炎癥和神經系統疾病中的這一通路，很可能在不久的將來成為免疫活性藥物庫中的一員。

希望我們能很快看到 cGAS 抑制劑在自身免疫疾病和全身和中樞神經系統病理學中的臨床數據。cGAS 激動劑也有可能在刺激免疫系統發揮治療優勢方面發揮作用。

最后，與 cGAS 相關的酶具有深遠的進化意義，成千上萬種細菌利用此類酶來對抗自己的病毒敵人——噬菌體。 所有這些都得益于陳志堅和他的同事們的出色工作，他獲得這一獎項實至名歸的獎項而受到大家的祝賀。

https://www.cell.com/immunity/fulltext/S1074-7613(24)00453-9

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