cGAS-STING (stimulator of interferon) 信号通路是许多多细胞动物抵御病原体的重要机制。对人体细胞而言，当细胞感知到异常DNA存在时，cGAS可催化2’,3’- cGAMP生成，后者能结合位于内质网膜上的STING，活化下游信号级联，产生促抗病毒基因表达等一系列效应1。

类似于cGAS-STING的信号通路同样存在于细菌当中，如基于环状寡核苷酸的抗噬菌体信号系统 (cyclic-oligonucleotide-based antiphage signaling system, CBASS) 。当cGAS样的CdnE识别噬菌体信号时，第二信使c-di-GMP生成。结合c-di-GMP的细菌STING蛋白发生寡聚化，介导杀死细菌或抑制细菌生长的效应，从而阻止噬菌体的播散1 (图1)。细菌的STING通常由STING结构域和TIR结构域组成，后者具有NADase活性，可以催化NAD+的降解2。

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图1. 人和细菌中相对应的防御途径1

2022年7月20日，来自哈佛大学医学院的Philip J. Kranzusch和Sichen Shao共同通讯，在Nature上在线发表了题为Cryo-EM structure of an active bacterial TIR–STING filament complex的科研论文，报道了处于活化状态的Sphingobacterium faecium TIR-STING (SfSTING) 丝状复合物3.3 Å的冷冻电镜结构，同时结合一系列生化和细胞实验，提出了CBASS抗噬菌体免疫过程中，STING丝状复合物形成以及效应结构域活化的分子模型。

在c-di-GMP的作用下，SfSTING聚合形成的复合物可以表现为单一的细丝，抑或两条细丝反向平行的结构。对前者进行进一步结构分析，可观察到丝状复合物由SfSTING二聚体侧向堆积形成，在长度上可延伸至300 nm之长。SfSTING二聚体为二次对称，V形的STING CDN结合结构域 (CDN-binding domain, CBD) 位于TIR NADase结构域上方 (图2)。

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图2. SfSTING二聚体及其侧向堆积形成的丝状结构

除了SfSTING结合高亲和力配体c-di-GMP的结构外，研究人员还解析SfSTING结合其弱激活配体3’,3’-cGAMP的、处于半关闭状态的结构。进一步与处于开放状态的apo结构比对，发现STING结合c-di-GMP后，其β-strand所形成的“盖子”相较于结合3’,3’-cGAMP和apo时，分别发生了9°和25°的内旋，R234与鸟嘌呤核苷Hoogsteen edge之间的相互作用使“盖子”的闭合更为紧密 (图3)。

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图3. SfSTING结合c-di-GMP后“盖子”区域的结构变化

对于TIR结构域而言，虽然此前已知其能够作为NADase发挥作用，但是由于缺乏TIR处于活化状态的结构信息，其水解NAD+的机制始终不清楚。在本文的结构中，研究人员观察到在TIR高度保守的αC螺旋表面，F83、F85、L86、L89之间形成广泛的疏水相互作用，介导二聚化的发生。通过与人源SARM1 TIR的活性位点进行比对，发现SfSTING的NAD+结合口袋由两部分构成，分别为朝向烟酰胺的疏水氨基酸和朝向磷酸二酯键以及腺苷的核糖的亲水氨基酸 (图4)。

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图4. TIR结构域及其活性位点

在丝状复合物形成的过程中，不同SfSTING二聚体之间的界面只有在结合c-di-GMP后才会暴露，表明了c-di-GMP的结合是成核的关键前提。二聚体之间的界面作为聚合的初级互作界面，促进了丝状复合物的侧向堆积。在两个丝状复合物之间，对应的STING结构域 (分别称STINGa和STINGb) 能够通过静电相互作用桥接，对应的TIR结构域之间以及STING结构域和TIR结构域之间也存在特定的相互作用，形成丝状复合物的次级互作界面 (图5)。

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图5. 丝状复合物形成的互作界面

在后续生化和细胞水平的验证中，研究人员发现，当介导STING-STING、STING-TIR或TIR-TIR互作的氨基酸残基突变时，NADase的活性会受到显著抑制，虽然SfSTING仍具备与底物结合的能力，但丝状复合物的形成受到明显的抑制。在能够持续产生c-di-GMP的E.coli中表达相应的突变体，发现SfSTING也失去了导致细菌生长停滞的能力 (图6)。

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图6. 丝状复合物形成及NADase活性发挥的机制

基于以上发现，作者提出了STING丝状结构形成以及效应结构域活化的分子模型：当CdnE识别噬菌体信号后，c-di-GMP开始合成并结合于STING二聚体中央的腔隙中。STING“盖子”结构关闭，成核相关的接触位点被暴露。STING-STING以及STING-TIR之间的相互作用驱动丝状复合物的延伸，而丝状复合物的形成所导致的TIR-TIR之间的相互作用介导了NAD+在活性位点的降解。

原文链接

https://www.nature.com/articles/

s41586-022-04999-1

参考文献

参考文献

1. Jenson J, Chen ZJ. Bacteria sting viral invaders. Nature. 2020 Oct;586(7829):363-364.

2. Morehouse BR, Govande AA, Millman A, Keszei AFA, Lowey B, Ofir G, Shao S, Sorek R, Kranzusch PJ. STING cyclic dinucleotide sensing originated in bacteria. Nature. 2020 Oct;586(7829):429-433.

来源：结构生物学高精尖创新中心