研究亮点
- •人类STING在半胱氨酸148位点发生S-亚硝基化
- •S-亚硝基化(SNO)-STING在阿尔茨海默病患者死后脑组织中被观察到
- •S-亚硝基化促进小胶质细胞炎症和突触功能障碍
- •靶向SNO-STING为调节神经炎症提供了策略
研究意义
神经炎症是阿尔茨海默病(AD)中突触功能障碍和认知能力下降的核心因素，然而驱动异常先天免疫激活的分子机制仍不明确。本研究首次发现S-亚硝基化是关键免疫信号蛋白干扰素基因刺激因子(STING)的一种新型翻译后修饰，STING是一种氧化还原调节蛋白，从而将硝化应激与病理性神经炎症联系起来。研究发现，人类STING上的半胱氨酸148位点促进STING寡聚化和过度I型干扰素信号传导，这一机制在人类AD死后脑组织和转基因AD小鼠模型中均被观察到。
该修饰代表了STING激活的关键开关，建立了硝化应激与AD中失调先天免疫之间的因果联系。了解STING的激活机制对转化医学进展至关重要，因为STING调控包括自噬、炎症小体激活和干扰素信号传导在内的多种通路，这些通路都与神经退行性变有关。重要的是，选择性靶向半胱氨酸148可能允许在保留STING维持先天免疫防御所必需的稳态功能的同时，对病理性神经炎症进行治疗性调节。
我们的研究为理解氧化还原信号如何在AD中驱动神经炎症提供了分子框架，并将STING S-亚硝基化确定为潜在的治疗靶点。通过将特定的翻译后修饰与疾病相关模型中的功能失调联系起来，这项工作为开发靶向抗炎策略开辟了新途径，旨在减缓或预防AD的进展。
摘要
先天免疫信号的异常激活已知会促进年龄相关神经系统疾病中的神经炎症，但这种激活的机制仍不明确。本研究发现，蛋白质S-亚硝基化作为一种基于氧化还原的翻译后修饰，调控阿尔茨海默病(AD)中的干扰素基因刺激因子(STING)蛋白。通过结合氧化还原化学生物学和质谱分析，我们确定半胱氨酸148位点的S-亚硝基化是一种关键修饰，能够促进STING寡聚化并以因果方式触发过度的I型干扰素信号传导。这种修饰在人类AD死后脑组织、暴露于AD相关蛋白聚集体的人类诱导多能干细胞(hiPSC)衍生的先天免疫细胞以及转基因AD小鼠模型中均被观察到。我们的研究揭示了硝化应激与失调先天免疫之间的一种新型分子联系，这种联系驱动AD中的神经炎症和突触丢失。靶向这种氧化还原敏感的半胱氨酸为调节神经炎症和可能减缓疾病进展提供了一种有前景的治疗策略。
引言
先天免疫系统通过感知感染性刺激并协调快速而受控的反应来保护人体免受疾病侵害，但也被牵涉到阿尔茨海默病(AD)等神经退行性疾病的发病机制中。胞质DNA(双链DNA或DNA:RNA杂交体)的检测是先天免疫的一个基本组成部分，它在多个物种中都是进化保守的。核酸传感器环状GMP-AMP合成酶(cGAS)检测胞质DNA并合成2,3-环状GMP-AMP(2,3-cGAMP)。2,3-cGAMP是一种第二信使，可激活内质网膜蛋白干扰素基因刺激因子(STING)。当2,3-cGAMP与STING对接时，STING的胞质2,3-cGAMP结合域发生180°旋转，导致相邻STING二聚体的形成。二聚化后，人类STING被认为通过半胱氨酸148介导的二聚体间二硫键交联进行聚合，形成稳定活性构象的2,3-cGAMP结合STING寡聚体。此外，半胱氨酸148的某些形式的氧化已知会抑制STING信号传导，最可能涉及STING寡聚体的不稳定和氧化应激通路的失调。这些寡聚体是诱导干扰素刺激基因(ISGs)表达所必需的活性平台。因此，我们将活性形式命名为STING寡聚体。
STING寡聚体转位到高尔基体并与TBK1相互作用。STING寡聚体和TBK1之间的关键相互作用导致一系列磷酸化事件。TBK1发生自磷酸化(p-TBK1)并介导STING在丝氨酸366位点的磷酸化(p-STING)，这导致TBK1介导的转录因子IRF3(p-IRF3)的磷酸化。p-IRF3随后转位到细胞核并转录ISGs。尽管这种免疫监视可以保护机体免受感染，但无意的激活是有害的。例如，在线粒体损伤后，错误定位的线粒体DNA在神经退行性疾病中在胞质中积累，并通过ISGs以及其他炎症通路如NLR家族含pyrin结构域3(NLRP3)炎症小体驱动神经炎症。
AD是一种神经退行性疾病，是随年龄增长而发生的最常见的痴呆形式。AD的神经病理学特征包括细胞外淀粉样β(Aβ)斑块和神经元内过度磷酸化tau形成的神经原纤维缠结的存在，通常伴有其他聚集蛋白(如α-突触核蛋白[αSyn])的积累，导致神经炎症、代谢失调、突触丢失和随之而来的进行性认知能力下降。一小部分家族性AD病例有明确的遗传原因，但>95%的病例是散发性的。临床和临床前研究已确定由一氧化氮(NO)等活性氮物质引起的硝化应激作为驱动包括AD在内的年龄相关疾病的次级信号分子。最近的研究还表明先天免疫功能障碍与AD之间存在密切联系。例如，NLRP3炎症小体激活和I型干扰素信号传导导致细胞损伤、突触丢失和神经元死亡。此外，Aβ病理被观察到在小胶质细胞中驱动I型干扰素激活，并导致记忆和突触缺陷，表明干扰素信号是AD中神经炎症的关键组成部分，对记忆和认知有害。
过量的NO(免疫反应的已知介质)通过改变生物靶标的动态来诱导硝化应激。蛋白质S-亚硝基化(-SNO)是一种可逆的氧化还原驱动的翻译后修饰(PTM)，其中NO相关物质与半胱氨酸硫醇(或更准确地说是硫醇阴离子)共价反应形成S-亚硝基硫醇加合物。蛋白质S-亚硝基化在不影响蛋白质表达的情况下多样化蛋白质组功能，并调节健康和疾病的生物学过程。本文重点研究参与I型干扰素诱导的氧化还原调节炎症通路。因此，我们研究了先天免疫初始"感知"阶段中涉及的蛋白质，这些蛋白质为下游炎症和细胞损伤奠定了基础。识别这些蛋白质及其氧化还原活性半胱氨酸可能为治疗干预开辟新的机会。
STING参与激活I型干扰素和炎症小体信号传导，这两者都促进神经炎症。STING在小胶质细胞(中枢神经系统(CNS)的先天免疫细胞)和神经元中表达，表明I型干扰素信号在与AD相关的细胞类型中存在相互作用。此外，目前尚无针对STING的治疗药物进入临床试验——这表明对STING复杂激活机制的理解尚不完整。因此，了解关键的STING激活和调节事件对于成功调节神经炎症至关重要。在本研究中，我们确定蛋白质S-亚硝基化是人类诱导多能干细胞(hiPSC)衍生的小胶质细胞(hiMG)和人类单核细胞(hMs)以及来自AD患者的脑组织中STING的一种新型且关键的PTM。我们的研究结果表明，SNO对于有效的cGAS-STING信号传导是必要的，而抑制这种反应会抑制STING寡聚化和干扰素-β(IFN-β)的产生。我们证明与健康脑相比，男性和女性散发性AD脑中的cGAS-STING信号传导蛋白水平发生改变，包括p-TBK1/TBK1比率增加。我们的数据阐明了人类STING的S-亚硝基化是AD中神经炎症损伤的一个关键氧化还原介导的激活步骤。
人死后阿尔茨海默病脑组织中失调的cGAS-STING信号传导和SNO-STING的存在
我们对人体死后健康对照和两性散发性AD患者的脑中一组cGAS-STING通路蛋白的表达进行了表征，发现STING发生了S-亚硝基化(图1A)。通过生物素转换测定法，与死于非CNS疾病的对照相比，SNO-STING在人类AD脑中显著增加。在我们的生物素转换测定中，使用抗坏血酸选择性还原SNO位点，以便随后进行链霉亲和素标记。
讨论
目前的AD疗法尚未解决该疾病中显著的神经炎症成分。在这方面，免疫系统失调已与AD的病因联系起来，小胶质细胞和神经元之间的相互作用至关重要。cGAS-STING信号传导的作用，特别是STING激活，在AD发病机制中一直不明确。在本研究中，我们提供了证据，表明死后人AD脑含有更高水平的S-亚硝基化STING。
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