今年的拉斯克奖为何授予陈志坚教授？

深究科学

2024-09-26 12:12发布于浙江科普领域创作者

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划重点

01陈志坚教授因发现环鸟苷酸-腺苷酸合酶（cGAS），揭示了免疫系统识别和应对病原体的机制，荣获今年的拉斯克基础医学研究奖。

02cGAS能与DNA结合，使其能合成环鸟苷酸-腺苷酸（cGAMP），进而激活干扰素（IFN）反应。

03除此之外，cGAS还参与识别其他病原体，如驻留在细胞质中且其DNA可检测到的细胞内细菌。

04目前，对cGAS在自身免疫疾病和癌症中的作用可能性产生了浓厚的兴趣，有望成为免疫活性药物库中的一员。

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导读

近几十年来，对免疫系统如何识别和应对病原体的了解，推动了生物学和医学领域的里程碑式进步。

今年的拉斯克基础医学研究奖授予了陈志坚教授，因其发现 cGAS，cGAS 是一种可以感知外来和自身 DNA（自身异常的、位于细胞内的 DNA）的酶，cGAS-STING 通路的定义为理解和治疗人类疾病开辟了新视野。

至于这个领域如何一步步发展起来，拉斯克基金委员会邀请专家专门撰文回顾，陈教授的贡献主要是哪些？

理查德·弗拉维尔、埃森 ·塞菲克｜撰文

DNA 与免疫

1953 年，DNA 结构的发现将生物学推向了前所未有的时代。它催生了分子生物学领域，并带来了非凡的发现。反过来，分子生物学应用于所有生物学领域，将这些领域转变为现在的状态。

人们意识到 DNA 可以被免疫系统来区分自身和非自身。病原微生物侵入高等生物体内所有潜在的区域，包括我们细胞的内部。这在病毒身上最为明显，因为它们的“生命”依赖于细胞内阶段，但它同样适用于原核和真核病原体，它们可以侵入相同的区域为自己谋利。当人们意识到 DNA 本身可能具有炎症性时，这就带来了一个问题：我们的细胞如何区分自身和非自身 DNA？

大部分答案来自于这样的认识：免疫系统将细胞错误区域（最常见的是细胞质）中的 DNA 识别为必须对抗的入侵信号。

今年的拉斯克基础医学研究奖表彰了 DNA 被免疫系统感知机制的发现——陈志坚发现了环鸟苷酸-腺苷酸合酶 (cGAS)。cGAS 与 DNA 结合，使其能合成环鸟苷酸-腺苷酸 (cGAMP)，进而使干扰素 (IFN) 基因刺激物 (STING) 通过转录因子 IRF3 激活 IFN 反应。cGAS 的发现和下游通路的定义具有重大的基础和生物医学意义。

先天免疫识别的现代时代

自 20 世纪中叶以来，免疫学家一直在思索免疫系统为何能对“外来”抗原作出反应，而对自身抗原一般不产生反应。

1989 年，查尔斯·珍妮薇二世（Charles Janeway Jr）在当年的冷泉港研讨会上发表了一篇开幕论文，提出了一个新理论来解释这一现象。他描述了所谓的“大自然的肮脏小秘密”，即免疫系统实际上不会对绝对纯的蛋白质产生适应性免疫反应，而当抗原被微生物成分污染时，它很容易产生适应性免疫反应。他推测，造成这种情况的原因是我们的生殖系基因组编码了所谓的模式识别受体 (PRR)，他提出这种受体能够识别微生物特异性成分，他称之为病原体相关分子模式 (PAMP)，而哺乳动物等后生动物不会产生这些成分。他进一步提出，这些受体的刺激会触发适应性免疫反应，从而能够对与“微生物分子模式”相关的抗原产生反应，而这些抗原是 PRR 的假设配体。

他的理论的实验证据来自斯特拉斯堡研究无脊椎动物的朱尔斯·霍夫曼和布鲁诺·勒梅特以及两个研究哺乳动物系统的实验室：鲁斯兰·梅德日托夫在查理自己的实验室直接检验他的假设，亚历山大·波尔托拉克和布鲁斯·贝特勒研究脂多糖 (LPS) 识别的遗传基础。

这三项研究导致发现了 Toll 样受体 (TLR) 蛋白家族，该家族能够检测多种微生物编码的 PAMP。现在我们知道， TLR 是由一个具有分工的基因家族编码的，该家族成员可以识别多种微生物碳水化合物、脂蛋白甚至核酸，包括单链和双链 RNA 以及 DNA。当被激活时，TLR 传递的信号会诱导细胞因子 IFN 和其他引发强烈免疫反应的关键分子。由于这些受体存在于细胞表面或囊泡膜上，识别成分直接进入囊泡，因此它们可以监视细胞外空间或囊泡空间，而囊泡空间本身通过内吞机制与外界相连。

事实上，编码此类 PRR 基因的遗传消除会消除宿主或其细胞对给定微生物损伤作出反应的能力。我们现在知道，TLR 通常看到的是微生物，而不是严格的“病原体”，但 Janeway 的聪明见解是正确的，并将免疫学推向了“先天免疫”的新时代。现在还了解到，TLR 和 PRR 还可以识别组织和细胞损伤释放的各种分子，通常称为损伤或危险相关分子模式或 DAMP，从而将这一领域更广泛地扩展到病理学。

微生物侵袭并不局限于活的后生动物的细胞外空间。RNA 病毒感染细胞并将其核酸基因组注入真核或原核细胞的各种区域，并在这些区域中以病毒 RNA 的形式表达，必须将这些基因组和亚基因组成分与受感染细胞胞质中的宿主核酸区分开来。事实上，人们迅速发现了多种 PRR 蛋白，包括 RIG-I 和 MDA-5，它们能够通过几种独特的特征特异性识别病毒 RNA，从而将病毒与宿主核酸区分开来；当这些 PRR 被激活时，它们会触发抗病毒反应的产生。

大量病毒具有 DNA 基因组，大量细菌和其他病原体（它们本身具有 DNA 基因组）可以感染细胞质，这两种情况都会导致细胞内部暴露于微生物 DNA。因此，人们开始寻找能够识别 DNA 的 PRR。

识别 DNA 的模式识别受体

从 Shizuo Akira 及其同事的研究已经得知，内皮细胞 TLR9 可以识别 DNA 并诱导 I 型干扰素，同样清楚的是，这不太可能是一种能够在细胞质中实现 DNA 感应的机制，因为 TLR9 将其识别元素投射到囊泡或细胞外空间。早在 DNA 被证实为遗传物质之前，它本身似乎就能够刺激免疫反应，但其发生的原因尚不清楚。

事实上，1908 年，发现并定义吞噬细胞的 Ilya Metchnikov 在他的诺贝尔奖演讲中指出，我们现在知道含有 DNA 的物质会招募保护性免疫细胞来对抗微生物，尽管当时还不清楚是如何做到这一点的。事实上，健康细胞的细胞质基本上没有游离 DNA。

2006 年，实验证明将双链 DNA 输送到细胞的细胞质中可以诱导强烈的先天免疫反应，包括产生 I 型干扰素。因此，细胞质 DNA 具有炎症性，因此必须存在检测它的系统，包括 DNA 解旋酶在内的几种 DNA 结合蛋白被认为是潜在的 DNA 传感器，但尚未出现明确的候选者。

随后在 2008 年，迈阿密大学医学院 Glen Barber 和武汉大学的舒红兵院士团队发现了一种关键蛋白质，Barber 将其称为 STING，该蛋白质可以驱动细胞产生大量的 I 型 IFN。

2009年， DNA 本身被证明是这一过程的驱动因素，这让学术界大为惊讶。然而，由于 STING 本身并不直接感知 DNA，因此其如何运作一直是个谜。

陈志坚教授开始登场

陈志坚在中国长大，并在那里接受了本科教育。1986 年，他来到美国，在纽约州立大学布法罗分校获得博士学位。在索尔克研究所短暂从事博士后研究后，他进入工业界，为包括 VELCADE 在内的重要药物的发现做出了贡献。他很快成为德克萨斯大学西南医学中心分子生物学系的助理教授。在那里，他为当时蓬勃发展的先天免疫领域做出了许多重要贡献，特别是通过研究 RNA 识别如何向线粒体抗病毒信号蛋白 (MAVS) 发出信号，该蛋白在线粒体上提供了一个介导信号传导到 IFN 产生的平台。

陈志坚选择回答以下科学问题：如果 STING 对 DNA 有反应但不结合 DNA，那么是什么激活剂能让 STING 触发 IFN 产生？他选择了一个两步系统，用 DNA 刺激缺乏 STING 的细胞；他和他的同事推断，如果 STING 不存在，那么这些细胞应该会积累激活它的配体。然后，他们将这些细胞的提取物应用于第二组细胞，他们想知道 STING 是否因此被激活，使用一种测定法作为众所周知的 IFN 转录调节剂 IRF3 的激活，介导 STING 激活的分子的生化纯化导致鉴定出 cGAMP，这是一种全新的二核苷酸。

这种分子的化学合成证实它确实能够诱导 IFN-β。此外，感染 RNA 病毒的细胞无法诱导 cGAMP，而感染 DNA 病毒则会导致这种核苷酸水平升高。此外，cGAMP 直接结合 STING 并诱导 IRF-3 的磷酸化，IRF-3 是导致诱导 I 型 IFN 和 IFN 反应基因的关键转录因子。

发现 cGAS 和 cGAS-STING 通路

为了检测负责合成 cGAMP 的酶，陈志坚和他的同事采用了蛋白质纯化生物化学方法。通过使用 cGAMP 合成作为检测方法进行连续纯化，他们发现了三个潜在的候选物。其中一个是令人兴奋的候选物，与之前描述的核苷酸合酶具有同源性，即 2′-5′ 寡腺苷酸合酶，它本身是一种由 IFN 诱导的重要酶，其蛋白质结构与其他环核苷酸合酶相关。

陈志坚和同事随后克隆了编码候选“DNA 检测器”蛋白的基因，他们将其命名为环 GMP-AMP 合酶 (cGAS)。通过对该基因进行诱变进行结构-功能关联证实了这一预测，即这确实是一种具有这种特性的酶，并且假定的催化氨基酸的突变消除了 cGAS 诱导 IRF3 的能力。

通过 RNA 干扰 cGAS 基因的功能丧失实验，细胞无法通过胞质 DNA 诱导 IFN-β。最后，陈志坚及其同事表明，纯化的 cGAS 可以与 DNA 结合，从而诱导其从 ATP 和三磷酸鸟苷 (GTP) 酶促合成 cGAMP 的能力。cGAS 酶的生化作用机制、DNA 如何将其开启以及 cGAMP 如何激活 STING 被迅速阐明。随后对 cGAS 的体内生物学有了了解，将缺乏该酶的小鼠与野生型小鼠进行比较，发现 cGAS 在生理上参与 DNA 病毒检测和抵抗。然而，很明显，cGAS 不仅参与病毒识别，还参与识别其他病原体，例如驻留在细胞质中且其 DNA 可检测到的细胞内细菌。有趣的是，cGAS 可以通过将 RNA 逆转录为 DNA 来识别 HIV 等逆转录病毒，然后 DNA 被酶识别。

对自身免疫疾病和癌症的新认识

大约 5% 的人类患有自身免疫性疾病。这些自身免疫性疾病中有几种表现出 IFN 特征，可能与细胞质 DNA 的积累有关。

重要的是，TREX1 缺陷会导致细胞质 DNA 积累，TREX1 是一种专门破坏细胞质 DNA 的酶，包括从受损细胞器（如线粒体或细胞核）中积累的 DNA。TREX1 缺乏是艾卡迪·古蒂尔雷斯综合征 (AGS) 的病因之一，这是一种罕见的自身免疫性神经疾病，脑脊液中 IFN 水平较高。华盛顿大学的 James Chen 和 Dan Stetson 分别表明，缺乏 TREX1 的小鼠体内积累的 DNA 通过 cGAS 介导其致病性：具体而言，cGAS 缺乏可挽救 TREX1 缺乏的致死性。同样，Nagata 发现 DNaseII 负责破坏吞噬细胞囊泡中积聚的 DNA，而 DNAII 的缺失也会导致自身免疫。这种表型也因 cGAS 缺乏而得到阻止。

这些令人兴奋的结果预测，如果 DNA 积聚在某个个体的细胞质中，它将激活 cGAS-STING 通路，驱动 IFN 反应，并可能像这些小鼠模型一样导致自身免疫。现在越来越多的线索支持这一论点。

cGAS 现在与各种自身免疫性疾病有关，特别是具有 IFN 特征的疾病，如系统性红斑狼疮 (SLE)。在某些 SLE 患者中，血清中检测到了升高的 cGAMP 水平，这强烈暗示 cGAS 激活和 TREX1 突变与某些形式的 SLE 有关。人们还对 cGAS 在神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病、ALS 和黄斑变性以及其他炎症性神经系统疾病）中的作用的可能性产生了浓厚的兴趣。其中一些疾病与线粒体 DNA 泄漏到细胞质中有关，这是激活 cGAS 的候选机制。出于所有这些原因，抑制这种酶是生物医学研究中炎症生物学研究的关键目标之一，这并不奇怪。

鉴于免疫系统的阴阳性质，人们考虑通过刺激 cGAS 来增强免疫反应，而不是抑制它来减弱免疫反应。这在癌症免疫疗法的应用中最为明显，DNA 和 cGAS 的刺激作用有望提供辅助作用，并以类似于检查点抑制的方式启动抗肿瘤反应。由于核苷酸化学多年来一直是癌症化疗最先进的领域之一，这一事实使得这一方法更加有效。

事实上，多种证据表明，cGAS-STING 通路会导致肿瘤微环境中的炎症，这种影响很复杂，通常取决于癌症的类型、进展阶段和正在考虑的治疗类型。许多研究都集中于这一领域，看到这些研究的成果将令人兴奋。

展望未来

cGAS-STING 通路研究是免疫生物学中一个热门的研究领域。同样明显的是，cGAS 的发现开启了生物医学科学的新纪元。了解 cGAS 系统在人类疾病中的重要性，并针对自身免疫、炎症和神经系统疾病中的这一通路，很可能在不久的将来成为免疫活性药物库中的一员。

希望我们能很快看到 cGAS 抑制剂在自身免疫疾病和全身和中枢神经系统病理学中的临床数据。cGAS 激动剂也有可能在刺激免疫系统发挥治疗优势方面发挥作用。

最后，与 cGAS 相关的酶具有深远的进化意义，成千上万种细菌利用此类酶来对抗自己的病毒敌人——噬菌体。所有这些都得益于陈志坚和他的同事们的出色工作，他获得这一奖项实至名归的奖项而受到大家的祝贺。

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