TBK1

引言编码溶酶体葡萄糖脑苷脂酶(GCase)的基因突变是戈谢病(GD)的原因，被认为是帕金森病(PD)和路易体痴呆(LBD)最强的遗传危险因素。GCase缺乏导致细胞中葡萄糖神经酰胺(GCs)的大量积累，并通过引发慢性神经炎症导致GD、PD和LBD的神经病理。2024年3月26日，苏州大学王光辉、任海刚、东南大学方明及韩俊海共同通讯在Science Signaling 在线发表题为”Glucosylceramide accumulation in microglia triggers STING-dependent neuroinflammation and neurodegeneration in mice“的研究论文（该研究被选为当期封面文章），该研究探索了GC积聚诱导神经炎症的机制。该研究发现，GCase药物抑制诱导的GC在小胶质细胞内积累引发STING依赖性炎症，从而导致体外和体内神经元损失。GC在小胶质细胞中的积累诱导线粒体DNA (mtDNA)渗漏到细胞质中，从而引发STING依赖性炎症。雷帕霉素是一种促进溶酶体活性的化合物，可改善线粒体功能，从而减少STING信号传导。此外，GC积累引起的溶酶体损伤导致活化的STING降解缺陷，进一步加剧了小胶质细胞介导的炎症。因此，限制STING活性可能是抑制GCase缺乏引起的神经炎症的一种策略。葡萄糖脑苷脂酶(GCase)由GBA1基因编码，是一种溶酶体酶，可将葡萄糖神经酰胺(GC)水解为神经酰胺和葡萄糖。GBA1突变引起的GCase缺乏与戈谢病(GD)有关，戈谢病是最常见的溶酶体储存疾病。值得注意的是，在单个GBA突变的个体或一些I型GD患者中，患帕金森病(PD)和路易体痴呆(DLB)的风险增加。此外，在没有GBA1突变的散发性PD患者中观察到GCase缺乏，进一步表明GCase缺乏与PD之间存在关联。一些研究表明，低GCase活性与PD神经元中α-突触核蛋白(α-syn)聚集有关。GCase缺乏导致神经元中GCs的病理性积累，导致α-syn聚集，进而通过损害GCase从内质网(ER)到溶酶体的细胞内运输破坏GCase的功能。GCase缺乏诱导神经元损伤，但GCase参与神经炎症的机制尚不清楚。最近，对果蝇的研究表明，神经胶质GCase负责神经元产生的GCs的降解。神经胶质细胞缺乏GCase可导致神经元和神经胶质功能障碍，提示神经胶质GCase在鞘脂分解代谢和神经元稳态中起关键作用。最近来自小鼠大脑的单细胞测序数据表明，小胶质细胞而不是神经元表现出Gba1基因的表达增加。使用正电子发射断层扫描(PET)也在GBA1突变患者的中脑中检测到小胶质细胞激活。值得注意的是，小胶质细胞中Gba1基因的条件缺失会诱导神经炎症和神经变性。GCase缺乏导致的GC积累已被确定为小胶质细胞激活的驱动因素，在GD小鼠模型中加剧了神经病理学。然而，GC积聚在小胶质细胞中引起神经炎症的具体分子机制尚未阐明。小鼠葡萄糖脑苷脂酶缺乏导致脂质依赖性小胶质细胞激活和皮质神经元的损失，这可以通过抑制STING信号传导来预防。这可能是戈谢病增加患帕金森病风险的一种方式，也是降低这种风险的一种策略。图片是小胶质细胞的彩色扫描电子显微照片（Credit: Science Signaling）越来越多的证据表明，神经炎症与GD、PD和DLB的神经病理之间存在关联。在中枢神经系统(CNS)中，小胶质细胞在引发神经炎症中起着关键作用。环鸟苷单磷酸腺苷(cGAMP)合成酶(cGAS)干扰素基因刺激因子(STING)介导炎症，已成为各种神经退行性疾病和自身免疫性疾病发病机制中的重要因素。众所周知，cGAS-STING通路在宿主防御病毒感染中的作用，并被细胞质双链DNA (dsDNA)激活。然而，在病理条件下，如在衰老和神经退行性疾病中，cGAS也可以感知来自细胞核或线粒体的自身DNA，导致STING信号通路的激活，并参与慢性神经炎症。模式图（Credit: Science Signaling）激活后，cGAS检测胞质DNA并产生cGAMP, cGAMP反过来激活STING。激活的STING招募并激活TANK结合激酶1 (TBK1)，通过干扰素调节因子3 (IRF3)的磷酸化导致I型干扰素(IFN)基因和促炎细胞因子的表达。值得注意的是，为了防止过度激活炎症反应，激活的STING通过自噬在溶酶体中迅速降解。在神经退行性疾病中，STING与小胶质细胞激活有关。该研究检测了GCase缺乏引起的GC积累是否对小鼠的STING信号、神经炎症和随后的神经退行性变有影响。该研究发现，GCase缺乏导致的GC积累诱导了小胶质细胞线粒体DNA (mtDNA)的释放和STING信号通路的激活，同时还损害了STING的线粒体自噬和溶酶体降解，这些都引发了神经退行性炎症，通过抑制STING或恢复溶酶体功能可以逆转这种炎症。因此，STING抑制剂可能是减少GCase缺乏相关神经炎症的一种方法。原文链接https://www-science-org.libproxy1.nus.edu.sg/doi/10.1126/scisignal.adk8249责编|探索君排版|探索君文章来源|“iNature”End往期精选围观一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版）热文Nature | 破除传统：为何我们需要重新思考肿瘤的命名方式热文Nature | 2024年值得关注的七项技术热文Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望热文CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述

本文为转化医学网原创，转载请注明出处 作者：Sophia 导读： 为了逃避免疫监视，肿瘤细胞在其膜表面表达外核苷酸焦磷酸酶磷酸二酯酶 1 （ENPP1），从而降解细胞外环状 GMP-AMP （cGAMP），从而抑制干扰素基因的环状 GMP-AMP 合酶 （cGAS） 刺激物 （STING） DNA 感应途径。为了充分了解这种肿瘤隐身机制，必须确定肿瘤微环境中是否也存在其他形式的具有水解cGAMP活性的ENPP1来调节这种先天免疫途径。 2024年3月18日，上海交通大学医学院季天海、杨朝勇、吴玲玲共同通讯在《Advanced Science》上发表题为“Tumor Exosomal ENPP1 Hydrolyzes cGAMP to Inhibit cGAS-STING Signaling”的研究论文，据报道， 多种肿瘤来源的外泌体携带ENPP1，能水解细胞产生的合成2′3′-cGAMP和内源性2′3′-cGAMP，抑制免疫细胞中的cGAS-STING通路。此外，肿瘤外泌体ENPP1还可以水解与LL-37（2′3′-cGAMP的有效转运蛋白）结合的2′3′-cGAMP，以抑制STING信号传导。此外，观察到从人乳腺癌和肺癌组织中分离出的外泌体中ENPP1的高表达，肿瘤外泌体ENPP1抑制CD8+ T细胞和CD4+ T细胞的免疫浸润。 研究结果阐明了肿瘤外泌体ENPP1在cGAS-STING通路中的基本功能，进一步加深了对肿瘤细胞和免疫系统之间串扰的理解。 https://onlinelibrary-wiley-com.libproxy1.nus.edu.sg/doi/full/10.1002/advs.202308131 研究背景 01 cGAS-STING通路是一种重要的先天免疫应答通路，在自身免疫性疾病和癌症中起着重要作用。从机理上讲，环状GMP-AMP合酶（cGAS）作为胞质DNA传感器，可以首先识别来自入侵微生物病原体或受损细胞的双链DNA（dsDNA），然后以三磷酸腺苷（ATP）和三磷酸鸟苷（GTP）为底物合成2′3′-环GMP-AMP（2′3′-cGAMP）。2′3′-cGAMP作为内源性第二信使，与干扰素基因刺激因子（STING）蛋白结合，募集坦克结合激酶1（TBK1）蛋白，激活干扰素调节因子IRF3。然后，磷酸化的 IRF3 进入细胞核并导致 I 型干扰素 （IFN） 的产生，从而启动抗癌和抗病毒的先天免疫反应。为了增强宿主的先天免疫反应，2′3′-cGAMP也可以输出到细胞外，以激活旁观者细胞中的cGAS-STING信号传导。事实上，2′3′-cGAMP 作为一种阴离子亲水分子，在依赖于病毒颗粒、细胞膜通道、SLC46A 溶质载体家族、工程跨膜 （TM） 缺陷 STING 蛋白或抗菌肽的细胞之间转移。 作为cGAS-STING通路的关键因素，了解细胞外cGAMP和转运蛋白-cGAMP复合物的命运是必要的。 截止目前，ENPP1是唯一可以水解免疫递质2′3′-cGAMP的可检测蛋白酶。然而， 除了分布在肿瘤细胞膜上的ENPP1蛋白外，肿瘤微环境中是否还存在其他形式的可以水解2′3′-cGAMP的ENPP1蛋白。 外泌体是由多种细胞类型分泌的脂质双层膜囊泡（直径 30-150 nm），携带母体细胞的各种生物活性分子（例如蛋白质和核酸）以促进细胞间通讯。事实上，研究表明，肿瘤来源的外泌体是肿瘤细胞与免疫细胞之间重要的通讯介质，也是肿瘤微环境中其他非肿瘤旁观者细胞之间的重要通讯介质，可以调节宿主的免疫反应。特别是，肿瘤来源的外泌体在调节先天免疫cGAS-STING信号转导中的作用逐渐被阐明。例如，经放射治疗的肿瘤细胞已被证明可以分泌携带dsDNA的外泌体，以激活免疫细胞中的STING。最近，信号转导接头分子 1 （STAM） 已被证明可以将活化的 STING 寡聚体转运到外泌体中并降解 STING 寡聚体以负调控 STING 信号转导。尽管这些研究表明外泌体在cGAS-STING通路的调控中起着重要作用，但 肿瘤来源的外泌体调节cGAMP的分子机制仍然未知，这限制了我们对肿瘤来源的外泌体在cGAS-STING信号通路和肿瘤免疫逃逸中的调控机制的充分认识。 研究结果 02 在此背景下，我们报道了各种肿瘤细胞衍生的外泌体携带 ENPP1 蛋白;事实上，ENPP1在这些外泌体中高度富集。我们发现肿瘤来源的外泌体可以帮助游离的 2′3′-cGAMP 激活 STING 信号传导。为了削弱外泌体介导的免疫增强，肿瘤外泌体ENPP1进一步水解细胞外2′3′-cGAMP，以抑制免疫细胞中的cGAS-STING通路。LL-37 作为一种由多种细胞类型表达的抗菌肽，已被证明是 2′3′-cGAMP 的有效转运蛋白，可以增强 cGAS-STING 信号转导的免疫反应。我们的研究还表明，肿瘤外泌体ENPP1可以有效地水解与LL-37结合的2′3′-cGAMP，从而抑制免疫细胞中的STING信号传导。事实上， 肿瘤外泌体 ENPP1 可能对任何形式的 2′3′-cGAMP 具有很强的降解活性，从而抑制 cGAS-STING 信号传导。 此外，我们的研究还表明，肿瘤外泌体ENPP1可以水解细胞产生的内源性2′3′-cGAMP，从而抑制旁观者细胞中的cGAS-STING通路。事实上， 我们观察到肿瘤外泌体在肺癌和乳腺癌患者的组织样本中表现出高 ENPP1 表达。重要的是，肿瘤外泌体ENPP1的表达水平分别与CD8+ T细胞和CD4+ T细胞浸润呈负相关。 肿瘤外泌体ENPP1介导的cGAS-STING信号通路在肿瘤微环境中水解2′3′-cGAMP和LL-37-2′3′-cGAMP的机制模型。 总体而言， 我们的研究揭示了肿瘤外泌体ENPP1通过水解2′3′-cGAMP抑制cGAS-STING信号传导的机制。 这突出了肿瘤来源的外泌体在先天免疫反应中的重要作用，并加深了我们对 ENPP1 介导的 cGAS-STING 通路的理解。 参考资料： https://onlinelibrary-wiley-com.libproxy1.nus.edu.sg/doi/full/10.1002/advs.202308131 注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。 热门·直播/活动 🕓 上海｜06月14日-16日 ▶ 第六届上海国际癌症大会将于6月14-16日在上海举办，学科交叉，共同推进肿瘤研究与诊治多模态！ 🕓 北京｜09月20日-21日 ▶ 第五届单细胞技术应用研讨会暨空间组学前沿研讨会欢迎您的参与！ 点击对应文字 查看详情

Researchers uncovered the mechanistic details behind how several proteins interact to help cells recognize and remove damaged mitochondria. Optineurin (OPTN) and its interactions are needed to provide a contact site for another protein, Tank-binding kinase 1 (TBK1), during this process. The OPTN-TBK1 relationship is necessary for these mitochondria to be recognized and eliminated from the cell. This mechanism may have relevance for developing drugs to treat Parkinson's disease. Autophagy is a process used by cells as a recycling system to transport and break down organelles and other cytosolic components, which become enveloped in a membrane called the autophagosome (Fig 1). When this involves the removal of damaged mitochondria, commonly called the "powerhouse" of the cell, it is known as mitophagy. In a recent article published in The EMBO Journal, a team led by researchers at Tokyo Medical and Dental University (TMDU) elucidated the molecular details of how an enzyme called Tank-binding kinase 1 (TBK1) participates in a disease-relevant mitophagy mechanism. Although autophagy has been characterized as a more general process meant to degrade and clear various cellular components, recent data have suggested that certain pathways are specifically involved in the autophagy of particular organelle types that are damaged or no longer needed. The researchers became interested in mitophagy mediated by molecules called PINK1 and Parkin, as they are proteins that have been pathologically linked to Parkinson's disease. "Mitophagy-related defects have been directly implicated in the neurodegeneration observed in Parkinson's disease patients," says Koji Yamano, lead author of the study. "Normally, PINK1 and Parkin work together to mark damaged mitochondria for removal by adding a chain of molecules called ubiquitin. This mark allows proteins called autophagy adaptors to associate with the mitochondria and bring in the autophagy machinery for autophagosome development." Although TBK1 is known to participate in PINK1/Parkin-mediated mitophagy, a detailed mechanism how it activates remained unclear. Using various molecular biology techniques, the team found that deleting the gene encoding TBK1 prevented association of an autophagy adaptor called optineurin (OPTN) during Parkin-mediated mitophagy (Fig 2). Additionally, deleting the OPTN gene prevented autophosphorylation of TBK1, which is necessary for it to function. Further work suggested that the interactions between OPTN and ubiquitin, as well as between OPTN and the developing autophagosome, were all needed for OPTN and TBK1 to come together at the contact site between damaged mitochondria and the pre-autophagosome membrane. Without this contact site, TBK1 autophosphorylation could not occur. The researchers also generated molecules called monobodies in their lab that could specifically bind OPTN and inhibit its physical interactions. The monobodies prevented OPTN accumulation at the mitophagy contact sites (Fig 3A). This subsequently blocked TBK1 activation (Fig 3B) and thereby mitochondrial degradation. These experiments further emphasized the importance of the OPTN-TBK1 relationship to support proper mitophagy. "Because PINK1 and Parkin are critical contributors to the molecular basis of Parkinson's disease, understanding the mechanistic details related to the mitophagy process mediated by these molecules is very important," explains Yamano. This study demonstrates a positive and reciprocal relationship between OPTN and TBK1 that is necessary for autophagosomes to begin forming on damaged mitochondria. The impactful finding may lead to the development of novel drugs to treat Parkinson's disease.