文献分享 | 清华大学研究团队发现一种能够限制cGAS-STING感知DNA的脂质代谢诱导酶

生物科研实验室

cGAS-STING信号通路是主要的DNA感应天然免疫信号通路。



近几年，一系列的研究表明，机体的cGAS-cGAMP-STING通路能够被异常激活（比如被异常泄露的线粒体DNA激活），从而导至慢性炎症，在神经炎症反应、肾炎以及衰老等诸多疾病中起关键的驱动作用。



所以开发特异性的cGAS-STING信号通路的抑制剂，对于相关的炎症疾病的治疗，具有重要的理论意义和潜在的临床应用价值。



脂质代谢的调节对正常的细胞功能和细胞与环境的相互作用至关重要。脂质代谢和先天免疫之间的联系已被越来越多地表征。其中，肝脏X受体（liver X receptor, LXR）介导的脂质代谢和抗炎作用已成为特别关注的焦点，被广泛报道能够抑制炎症反应，尤其在神经炎症领域，具有潜在的临床治疗潜力。



LXR与甾醇调节元件结合蛋白相反，通过调节与胆固醇代谢物相关的靶基因来降低胆固醇浓度。此外，先前的研究表明，胆固醇代谢的降低会增强STING- I型IFN信号传导，从而响应第二信使cGAMP。



然而，LXR介导的抗炎和脂质代谢是如何发生的，以及脂质代谢的哪些关键效应子抑制cGAMP-STING免疫反应，在很大程度上仍不清楚。



2023年10月26日，清华大学药学院张从刚课题组在Immunity期刊发表了题为“SMPDL3A is a cGAMP-degrading enzyme induced by LXR-mediated lipid metabolism to restrict cGAS-STING DNA sensing”的研究论文。



该研究发现LXR激动剂对脂质代谢的刺激特异性抑制了cGAMP-STING信号传导。此外，研究还发现LXR配体刺激鞘磷脂磷酸二酯酶酸样3A（SMPDL3A）的表达，该酶能够特异性地降解cGAS-STING信号通路的第二信使2’3’-cGAMP，从而特异性地抑制cGAS-STING天然免疫通路的激活。



这是迄今为止首次发现能够靶向cGAMP降解的小分子抑制剂，从而为特异性地抑制cGAS-STING DNA免疫异常激活提供了新的思路，并且为相关的自身免疫性疾病、衰老以及神经炎症等众多疾病的治疗提供了重要靶点和新策略。
该研究团队采用cGAMP-STING信号靶向细胞表型筛选方法来寻找STING免疫信号通路的特异性抑制剂。



研究涉及了大约3万种不同的小分子药物。通过高通量的药物筛选平台发现肝X受体脂代谢通路的激动剂T0901317对cGAMP-STING免疫应答产生了显著抑制效果。



这是首次发现一种小分子抑制剂，能够高效并且特异地靶向cGAS-STING DNA天然免疫的第二信使cGAMP，抑制cGAMP介导的天然免疫应答。



接着该团队深入探究这种特异性小分子抑制剂的靶点和作用机制。



该团队假设，小分子T0901317可能诱导了一种cGAMP特异性降解酶的表达，来抑制cGAMP-STING信号通路。



为了验证这一假设，他们开发了共价偶联cGAMP类似物的琼脂糖珠，用于选择性下拉cGAMP结合蛋白。对T0901317刺激下的THP1细胞的培养基和细胞裂解液进行了下拉实验，鞘磷脂酸二酯酶类似物3A（SMPDL3A）被鉴定为cGAMP相互作用蛋白。



进一步实验表明，SMPDL3A的确具有cGAMP降解活性，这一结果得到了多种实验方法的验证，包括薄层色谱、Mono Q色谱、cGAMP ELISA分析以及细胞功能性测定。



基于细胞的实验证实，2’3’-cGAMP被SMPDL3A选择性降解，而3’3’-cGAMP -cGAMP、c-diAMP和c-di-GMP不是SMPDL3A的底物



动力学分析表明，SMPDL3A能够同时降解cGAMP和ATP。



功能分析显示SMPDL3A对cGAMP的降解催化效率与已知的cGAMP水解酶ENPP1和Poxin相似。



总的来说，以上数据表明SMPDL3A是一种特定的2′3′-cGAMP降解酶。



生化特性分析确定SMPDL3A首先通过2’-5’磷酸二酯键水解裂2’3’-cGAMP生成5’-pGpA，然后进一步水解pGpA生成5’-GpA。



晶体结构分析显示SMPDL3A在与cGAMP类似物结合时，通过二聚体界面疏水和氢键相互作用形成同源二聚体。阻止二聚化的突变消除了cGAMP降解活性，表明cGAMP诱导的SMPDL3A二聚化对其酶活性至关重要。



蛋白酶SMPDL3A是继ENPP1之后，在哺乳动物体系中发现的第二个2’3’-cGAMP降解酶。SMPDL3A本身就是一个分泌蛋白，它能够被LXR脂代谢信号通路诱导表达，特异性地抑制cGAS-STING免疫信号。



同时，该团队证明其他的LXR脂代谢通路的激动剂GW3965也有类似的抑制效果。



因此，该团队研究了SMPDL3A的表达是否被LXR脂质代谢刺激，进而抑制cGAS-STING免疫信号。



研究结果表明，T0901317作为一种LXR脂代谢通路的激动剂，激活LXR信号，从而诱导cGAMP降解酶SMPDL3A的表达来抑制STING天然免疫反应。
根据上述结果，LXR激动剂，以及SMPDL3A工程化蛋白，理论上有潜力治疗由cGAMP引起的异常炎症反应。在该研究中，研究团队分别在细胞培养和小鼠模型中进行了证明。



在WT小鼠骨髓源性巨噬细胞（BMDMs）中，SMPDL3A的基础浓度较低，T0901317刺激后其表达增加。cGAMP在T0901317诱导的WT BMDMs中诱导的STING信号的磷酸化水平降低，而在Smpdl3a-/-BMDMs中没有降低。



动物实验中，T0901317处理在WT小鼠中，cGAMP诱导的Ifnb、Ccl5和Cxcl10的表达被抑制，而在Smpdl3a-/-小鼠中没有被抑制。




这些证据表明，LXR介导SMPDL3A在细胞培养和小鼠模型中降解cGAMP以抑制STING信号传导。




综上，该研究揭示了SMPDL3A是一种cGAMP特异性核酸酶，由LXR介导的脂质代谢诱导，以限制cGAS-STING DNA传感。



该研究扩展了人们对免疫细胞脂质代谢效应物调控cGAS-cGAMP-STING信号通路的认识。



尽管脂质代谢和先天免疫网络非常复杂，但LXR激动剂诱导SMPDL3A的特异性和高表达，以及SMPDL3A在免疫细胞和SMPDL3A缺陷小鼠中高效水解2’3’-cGAMP的体外实验证实，STING信号传导与脂质代谢之间存在明确而精确的联系。



这些发现对于精准治疗神经炎症、衰老以及自身免疫性疾病具有重要科学价值和指导意义。