清華新聞網(wǎng)6月9日電 近日，清華大學(xué)藥學(xué)院張從剛研究員課題組發(fā)現(xiàn)人類(lèi)宿主防御肽LL-37是一種高效的cGAMP轉(zhuǎn)運(yùn)體，可以通過(guò)與cGAMP特異性結(jié)合從而雙向跨細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)cGAMP，傳播和放大“第二信使”cGAMP攜帶的免疫信號(hào)，進(jìn)而在靶細(xì)胞內(nèi)激活強(qiáng)烈的STING信號(hào)以及干擾素介導(dǎo)的宿主抗病毒免疫。這是迄今為止首次發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)溶解性多肽可以跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)免疫遞質(zhì)cGAMP，這一發(fā)現(xiàn)揭示了機(jī)體抵御病毒感染的獨(dú)特機(jī)制，同時(shí)為困擾人類(lèi)幾十年的問(wèn)題“維生素D究竟如何抗病毒”提供了分子機(jī)制方面的新解釋?zhuān)矠橐呙缪邪l(fā)和免疫治療提供了新靶點(diǎn)和新思路。
在哺乳動(dòng)物天然免疫系統(tǒng)中，來(lái)源于腫瘤或微生物的胞質(zhì)DNA可激活cGAS合成第二信使—2’, 3’-cGAMP1,2（cGAMP）。cGAMP與STING結(jié)合使其形成二聚體，招募TBK1，磷酸化并激活I(lǐng)RF3，誘導(dǎo)I型干擾素和其他細(xì)胞因子的表達(dá)。cGAMP-STING免疫信號(hào)通路在機(jī)體抗腫瘤和抗感染等過(guò)程中發(fā)揮著非常重要的作用。
腫瘤細(xì)胞和感染細(xì)胞中的的cGAMP往往需要轉(zhuǎn)移到“旁觀(guān)者”細(xì)胞中，從而全局性地調(diào)動(dòng)STING介導(dǎo)的干擾素反應(yīng)和抗腫瘤/抗病毒免疫。此外，免疫治療中使用的外源cGAMP以及其它一些由細(xì)菌產(chǎn)生的環(huán)二核苷酸（如3’, 3’-cGAMP）也需穿過(guò)細(xì)胞膜來(lái)激活機(jī)體多細(xì)胞免疫反應(yīng)。然而，由于cGAMP帶負(fù)電且具有高度親水性，導(dǎo)致其很難自發(fā)穿過(guò)磷脂雙層進(jìn)入靶細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮作用。因此，研究cGAMP的跨膜運(yùn)輸對(duì)闡明宿主免疫防御機(jī)制和改善cGAMP免疫治療效果都具有極其重要的意義。近年來(lái)，科學(xué)家逐步發(fā)現(xiàn)細(xì)胞間gap junction3和細(xì)胞膜上陰離子通道蛋白（SLC19A14和LRRC85）可以作為cGAMP的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。但是，機(jī)體內(nèi)是否存在溶解性的、游離的蛋白或多肽參與cGAMP跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)目前尚不清楚。
該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)大范圍篩選成功鑒定到一條人類(lèi)細(xì)胞中的游離多肽LL-37可協(xié)助cGAMP進(jìn)入細(xì)胞。LL-37是Cathelicidin抗菌肽家族的唯一人類(lèi)成員，具有抗菌、抗病毒、免疫調(diào)節(jié)、促進(jìn)傷口愈合等多種生物學(xué)功能。研究者發(fā)現(xiàn)，在LL-37的協(xié)助下，cGAMP能夠強(qiáng)烈激活STING信號(hào)通路，并誘導(dǎo)大量的IFNβ的產(chǎn)生（圖1）。
圖1. LL-37促進(jìn)cGAMP強(qiáng)烈激活STING信號(hào)通路和干擾素反應(yīng)
為了進(jìn)一步探究機(jī)體內(nèi)源性L(fǎng)L-37是否也可以發(fā)揮相似的功能，研究者用兩種LL-37誘導(dǎo)劑（維生素D [VD3] 和丁酸鈉 [SB]）誘導(dǎo)內(nèi)源LL-37的表達(dá)。結(jié)果表明，VD3和SB都能夠顯著增強(qiáng)cGAMP介導(dǎo)的STING信號(hào)通路的激活。然而，當(dāng)敲除LL-37基因后，VD3和SB對(duì)cGAMP免疫反應(yīng)的增強(qiáng)作用完全喪失，表明VD3和SB通過(guò)誘導(dǎo)內(nèi)源LL-37表達(dá)促進(jìn)cGAMP介導(dǎo)的STING信號(hào)傳導(dǎo)（圖2）。前人研究表明，人體上皮細(xì)胞、唾液以及感染或炎癥部位的LL-37濃度可達(dá)2-12μg/ml。該研究團(tuán)隊(duì)證明，此生理濃度下的LL-37足以有效促進(jìn)cGAMP誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)，同時(shí)強(qiáng)效抑殺G＋和G－致病菌。
圖2. VD3和SB通過(guò)誘導(dǎo)內(nèi)源LL-37表達(dá)促進(jìn)cGAMP介導(dǎo)的STING信號(hào)激活
接著，該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精妙的細(xì)胞間cGAMP轉(zhuǎn)移試驗(yàn)以及ITC、MST等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)LL-37通過(guò)與cGAMP特異性結(jié)合從而對(duì)cGAMP進(jìn)行跨細(xì)胞膜運(yùn)輸（圖3）。
圖3. LL-37通過(guò)與cGAMP特異性結(jié)合雙向跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)cGAMP
此外，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)LL-37顯著增強(qiáng)了cGAMP介導(dǎo)的宿主抗病毒免疫。研究者發(fā)現(xiàn)LL-37強(qiáng)烈促進(jìn)了cGAMP誘導(dǎo)的ISG相關(guān)基因的表達(dá)（圖4F）。此外，LL-37-cGAMP明顯增加了小鼠血清中的IFNβ和CXCL10水平（圖4G）。與單獨(dú)使用cGAMP或LL-37相比，cGAMP-LL-37能夠更好地緩解HSV-1誘導(dǎo)的小鼠體重下降癥狀（圖4C）。更重要的是，LL-37-cGAMP組合幾乎完全消除了THP1細(xì)胞（圖4A和4B）和小鼠脾臟（圖4D和4E）中的病毒感染。
圖4.LL-37-cGAMP可以強(qiáng)烈激活宿主抗病毒免疫
研究表明補(bǔ)充VD3可以增強(qiáng)基于IFNβ的抗病毒反應(yīng)，并有證據(jù)顯示補(bǔ)充VD3甚至可以緩解SARS-CoV-2誘發(fā)的急性呼吸道綜合征。盡管早有研究報(bào)道VD3能夠誘導(dǎo)內(nèi)源性L(fǎng)L-37的產(chǎn)生，但尚不清楚VD3誘導(dǎo)的LL-37表達(dá)與IFNβ介導(dǎo)的抗病毒反應(yīng)之間是否存在聯(lián)系。該研究證明，VD3通過(guò)誘導(dǎo)內(nèi)源LL-37的表達(dá)，促進(jìn)了cGAMP的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，從而高效激活STING信號(hào)通路并促進(jìn)IFNβ介導(dǎo)的抗病毒免疫反應(yīng)，解開(kāi)了這個(gè)困擾人類(lèi)幾十年的謎題。
綜之，該研究首次發(fā)現(xiàn)人類(lèi)宿主防御肽LL-37可作為cGAMP的轉(zhuǎn)運(yùn)體高效激活STING介導(dǎo)的先天免疫反應(yīng)（圖5），為機(jī)體免疫調(diào)節(jié)和抗感染機(jī)制提供新的見(jiàn)解，并為臨床免疫治療提供了新思路。
圖5. LL-37跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)cGAMP以激活STING信號(hào)通路并增強(qiáng)IFN介導(dǎo)的宿主抗病毒免疫的示意圖
上述研究于5月31日在《細(xì)胞報(bào)道》（Cell Reports）期刊發(fā)表，標(biāo)題為“LL-37轉(zhuǎn)運(yùn)cGAMP激活STING信號(hào)，增強(qiáng)干擾素介導(dǎo)的宿主抗病毒免疫”（LL-37 transports immunoreactive cGAMP to activate STING signaling and enhance interferon-mediated host antiviral immunity）。
清華大學(xué)藥學(xué)院張從剛研究員和上海交通大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院孫序序研究員為該論文通訊作者，張從剛課題組博士后衛(wèi)旭彪和張璐璐為該論文第一作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、中國(guó)博士后科學(xué)基金以及上海東方學(xué)者基金的資助。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(22)00655-6
供稿：藥學(xué)院
編輯：李華山
審核：呂婷
