DOI: https://doi.org/10.1038/s41421-024-00763-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40097395
تاريخ النشر: 2025-03-18
المؤلف: Jinrui Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: إنترفيرون واستجابات المناعة
نظرة عامة
يلعب مسار cGAS-STING دورًا حاسمًا في الاستجابة المناعية الفطرية من خلال اكتشاف الحمض النووي السيتوزولي، وهو أمر ضروري للدفاع ضد التهديدات الميكروبية والأضرار الخلوية. عند التنشيط، يقوم STING بتجنيد TBK1 في الشبكة الغولجية المتحولة (TGN)، مما يؤدي إلى فسفرة IRF3 والتحريض اللاحق للتعبير عن الإنترفيرون من النوع الأول (IFN-I). تبرز هذه الدراسة أهمية عوامل الربط في TGN في تسهيل إشارات STING-IFN-I، كاشفة أن حذف TBC1D23، وهو عامل ربط رئيسي، يؤثر بشكل كبير على هذا المسار الإشاري دون التأثير على إشارات STING-NF-κB.
من الناحية الآلية، يظهر أن TBC1D23 يتفاعل مع TBK1 من خلال وحدة مركب WASH FAM21، مما يعزز انتقال TBK1 من الحويصلات إلى TGN. ومن الجدير بالذكر أن البحث يشير أيضًا إلى أن مستويات عوامل الربط المختلفة في TGN تنخفض في الفئران المسنّة والفيبروبلاست المسنّ، مما يشير إلى أن هذا الانخفاض قد يؤدي إلى تنظيم غير سليم لإشارات STING خلال الشيخوخة. بشكل عام، تؤكد النتائج على الدور الحاسم لعوامل الربط في TGN في تنظيم إشارات STING-IFN-I وتأثيرها المحتمل على الاستجابات المناعية في الشيخوخة.
مقدمة
تستعرض المقدمة دور إنزيم تخليق GMP-AMP الحلقي (cGAMP) (cGAS) في استشعار الحمض النووي السيتوزولي وتنشيط المحفز لجينات الإنترفيرون (STING)، والذي يحفز الاستجابات المناعية الفطرية من خلال إنتاج الرسول الثاني cGAMP. يؤدي هذا التنشيط إلى تجنيد كيناز ربط TANK (TBK1) وفسفرة عامل تنظيم الإنترفيرون 3 (IRF3)، مما يؤدي إلى التعبير عن الإنترفيرونات من النوع الأول (IFN-I). يعد مسار STING حاسمًا للدفاع عن المضيف ومناعة الأورام، بينما يقوم أيضًا بوساطة تنشيط عامل النواة κB (NF-κB)، الذي يلعب دورًا في تعزيز تنشيط TBK1 ومنع تحلل STING.
تسلط الورقة الضوء على الرابط الناشئ بين إشارات cGAS-STING غير الطبيعية ومجموعة متنوعة من الأمراض، بما في ذلك الشيخوخة الخلوية، حيث يرتبط زيادة تلف الحمض النووي بارتفاع إشارات STING-NF-κB. على الرغم من أهمية هذا المسار، تظل الآليات التي تنظم التنشيط التفاضلي لإشارات IFN-I وNF-κB غير مفهومة جيدًا. يركز المؤلفون على دور عوامل الربط في TGN، وبشكل خاص TBC1D23، في نقل TBK1 من الحويصلات إلى الشبكة الغولجية المتحولة (TGN)، وهو أمر ضروري لإشارات STING-IFN-I. تشير نتائجهم إلى أن حذف TBC1D23 يؤثر سلبًا على إشارات STING-IFN-I بينما يؤثر بشكل ضئيل على إشارات STING-NF-κB، مما يشير إلى أن انخفاض عوامل الربط في TGN في الفئران المسنّة والخلايا المسنّة قد يسهم في نتائج الإشارات المتغيرة المرتبطة بالشيخوخة الخلوية.
طرق
تستعرض قسم المواد والطرق التصميم التجريبي والإجراءات المستخدمة في الدراسة. توضح اختيار المواد، بما في ذلك الكواشف والمعدات المحددة المستخدمة، بالإضافة إلى البروتوكولات المتبعة لضمان تكرار النتائج ودقتها. تشمل المنهجية كل من التحليلات النوعية والكمية، مع تسليط الضوء على التقنيات الإحصائية المطبقة لتفسير البيانات بشكل فعال.
بالإضافة إلى ذلك، يصف القسم طرق أخذ العينات، والضوابط التجريبية، وأي اعتبارات أخلاقية ذات صلة تم أخذها في الاعتبار خلال البحث. إن صرامة الطرق المستخدمة أمر حاسم للتحقق من النتائج، التي من المتوقع أن تسهم بشكل كبير في مجال الدراسة. بشكل عام، يوفر هذا القسم نظرة شاملة على الإطار المنهجي الذي يدعم نتائج البحث.
نتائج
تظهر نتائج هذه الدراسة أن الإجهاد التأكسدي يقلل بشكل كبير من مستويات عدة عوامل ربط في TGN خلال الشيخوخة الخلوية. أظهر تحليل مستويات البروتين في أنسجة مختلفة من الفئران الشابة والقديمة انخفاضًا ملحوظًا في عوامل مثل golgin-97، golgin-245، TBC1D23، وFAM91A1، بينما ظلت مستويات GCC88 دون تغيير. يشير هذا إلى أن الإجهاد التأكسدي، وخاصة من خلال آليات تتضمن تحلل Arl1، يسهم في انخفاض هذه البروتينات. أكدت تحريض الشيخوخة في الفيبروبلاست الرئوية الأولية للفئران عبر الإيتوبوسيد والهيدروجين البيروكسايد هذا الانخفاض، الذي كان قابلاً للعكس مع مضاد الأكسدة N-acetylcysteine، مما يشير إلى مسار علاجي محتمل.
أظهر التحقيق الإضافي في التوطين الخلوي لعوامل الربط في TGN حساسية مختلفة تجاه الإجهاد التأكسدي. في خلايا بطانة الأوعية الدقيقة الدماغية البشرية المستدامة المعالجة بالهيدروجين البيروكسايد، أظهر golgin-97 تشتتًا سريعًا، بينما احتاج GCC88 إلى تعرض أطول لإظهار تأثيرات مماثلة. ومن الجدير بالذكر أن GM130، وهو علامة cis-Golgi، ظل مستقرًا طوال فترة العلاج، مما يبرز الضعف الانتقائي لعوامل الربط في TGN تجاه الإجهاد التأكسدي. بشكل جماعي، تؤكد هذه النتائج تأثير الإجهاد التأكسدي على عوامل الربط في TGN خلال الشيخوخة وتقترح أن انخفاضها قد يرتبط بضعف ترجمة البروتين بدلاً من التغيرات في مستويات mRNA.
مناقشة
تسلط الأبحاث الضوء على دور عوامل الربط في TGN في تنشيط مسار إشارات STING-IFN-I، خاصة في ظل ظروف الإجهاد التأكسدي. باستخدام نماذج الفئران المعالجة بالبروما بنزين والألوكسين لتحفيز الإجهاد التأكسدي، وجدت الدراسة انخفاضًا كبيرًا في مستويات IFN-β بعد معالجة المحفز STING، بينما ظلت مستويات IL-6 دون تغيير. أظهرت التجارب في المختبر مع خلايا HCMEC/D3 أن الإجهاد التأكسدي يمنع فسفرة TBK1 وSTING وIRF3، مما يشير إلى حدوث اضطراب في إشارات STING. كشفت التحليلات الإضافية أن استنفاد عوامل الربط في TGN، باستثناء golgin-97، قمع تعبير IFNB1 دون التأثير بشكل كبير على مستويات TNF-α، مما يبرز الدور التنظيمي المحدد لهذه العوامل في إشارات STING-IFN-I.
أظهر التحقيق في TBC1D23، وهو عامل ربط رئيسي في TGN، أن حذفه في الفئران يؤثر سلبًا على إشارات STING-IFN-I، كما يتضح من انخفاض تعبير IFNB1 وجينات STING الأخرى المنظمة. كما أوضحت الدراسة الآلية التي من خلالها يسهل TBC1D23 انتقال TBK1 من الحويصلات إلى TGN، وهو أمر ضروري لتنشيط STING. ومن الجدير بالذكر أن TBC1D23 يتفاعل مع TBK1 عبر FAM21، وأن استنفاده أعاق تنشيط TBK1 وفسفرته عند تحفيز STING. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن عوامل الربط في TGN، وبشكل خاص TBC1D23، ضرورية للتشغيل السليم لمسار إشارات STING-IFN-I، خاصة في سياق الإجهاد التأكسدي والشيخوخة، مما قد يسهم في الحالة المناعية الضعيفة التي لوحظت في الأفراد الأكبر سنًا.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41421-024-00763-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40097395
Publication Date: 2025-03-18
Author(s): Jinrui Wang et al.
Primary Topic: interferon and immune responses
Overview
The cGAS-STING pathway plays a crucial role in the innate immune response by detecting cytosolic DNA, which is essential for defending against microbial threats and cellular damage. Upon activation, STING recruits TBK1 at the trans-Golgi network (TGN), leading to the phosphorylation of IRF3 and subsequent induction of type I interferon (IFN-I) expression. This study highlights the importance of TGN tethering factors in facilitating STING-IFN-I signaling, revealing that the deletion of TBC1D23, a key tethering factor, significantly impairs this signaling pathway without affecting STING-NF-κB signaling.
Mechanistically, TBC1D23 is shown to interact with TBK1 through the WASH complex subunit FAM21, promoting the translocation of TBK1 from endosomes to the TGN. Notably, the research also indicates that the levels of various TGN tethering factors decline in aged mice and senescent fibroblasts, suggesting that this reduction may lead to dysregulated STING signaling during senescence. Overall, the findings underscore the critical role of TGN tethering factors in regulating STING-IFN-I signaling and their potential impact on immune responses in aging.
Introduction
The introduction outlines the role of cyclic GMP-AMP (cGAMP) synthase (cGAS) in sensing cytosolic DNA and activating the stimulator of interferon genes (STING), which triggers innate immune responses through the production of the second messenger cGAMP. This activation leads to the recruitment of TANK-binding kinase 1 (TBK1) and the phosphorylation of interferon regulatory factor 3 (IRF3), culminating in the expression of type I interferons (IFN-I). The STING pathway is crucial for host defense and antitumor immunity, while also mediating the activation of nuclear factor κB (NF-κB), which plays a role in enhancing TBK1 activation and inhibiting STING degradation.
The paper highlights the emerging link between aberrant cGAS-STING signaling and various diseases, including cellular senescence, where increased DNA damage correlates with heightened STING-NF-κB signaling. Despite the significance of this pathway, the mechanisms regulating the differential activation of IFN-I and NF-κB signaling remain poorly understood. The authors focus on the role of TGN tethering factors, specifically TBC1D23, in the endosome-to-trans-Golgi network (TGN) trafficking of TBK1, which is essential for STING-IFN-I signaling. Their findings indicate that deletion of TBC1D23 impairs STING-IFN-I signaling while minimally affecting STING-NF-κB signaling, suggesting that reduced TGN tethering factors in aged mice and senescent cells may contribute to the altered signaling outcomes associated with cellular senescence.
Methods
The section on Materials and Methods outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the selection of materials, including specific reagents and equipment used, as well as the protocols followed to ensure reproducibility and accuracy of results. The methodology encompasses both qualitative and quantitative analyses, highlighting the statistical techniques applied to interpret the data effectively.
Additionally, the section describes the sampling methods, experimental controls, and any relevant ethical considerations taken into account during the research. The rigor of the methods employed is crucial for validating the findings, which are expected to contribute significantly to the field of study. Overall, this section provides a comprehensive overview of the methodological framework that underpins the research outcomes.
Results
The results of this study demonstrate that oxidative stress significantly reduces the levels of several TGN tethering factors during cellular senescence. An analysis of protein levels in various tissues from young and aged mice revealed a notable decrease in factors such as golgin-97, golgin-245, TBC1D23, and FAM91A1, while GCC88 levels remained unchanged. This suggests that oxidative stress, particularly through mechanisms involving Arl1 degradation, contributes to the decline of these proteins. Induction of senescence in primary mouse lung fibroblasts via etoposide and hydrogen peroxide confirmed this reduction, which was reversible with the antioxidant N-acetylcysteine, indicating a potential therapeutic avenue.
Further investigation into the cellular localization of TGN tethering factors revealed differential sensitivities to oxidative stress. In immortalized human cerebral microvascular endothelial cells treated with hydrogen peroxide, golgin-97 exhibited rapid dispersion, while GCC88 required longer exposure to show similar effects. Notably, GM130, a cis-Golgi marker, remained stable throughout the treatment, highlighting the selective vulnerability of TGN tethering factors to oxidative stress. Collectively, these findings underscore the impact of oxidative stress on TGN tethering factors during aging and suggest that their reduction may be linked to impaired protein translation rather than changes in mRNA levels.
Discussion
The research highlights the role of TGN tethering factors in the activation of the STING-IFN-I signaling pathway, particularly under oxidative stress conditions. Using mouse models treated with bromobenzene and alloxan to induce oxidative stress, the study found a significant reduction in IFN-β levels following STING agonist treatment, while IL-6 levels remained unchanged. In vitro experiments with HCMEC/D3 cells demonstrated that oxidative stress inhibited TBK1, STING, and IRF3 phosphorylation, indicating a disruption in STING signaling. Further analysis revealed that depletion of TGN tethering factors, except for golgin-97, suppressed IFNB1 expression without significantly affecting TNF-α levels, underscoring the specific regulatory role of these factors in STING-IFN-I signaling.
The investigation into TBC1D23, a key TGN tethering factor, showed that its deletion in mice impaired STING-IFN-I signaling, as evidenced by reduced expression of IFNB1 and other STING-regulated genes. The study also elucidated the mechanism by which TBC1D23 facilitates TBK1 translocation from endosomes to the TGN, essential for STING activation. Notably, TBC1D23 interacts with TBK1 via FAM21, and its depletion hindered TBK1 activation and phosphorylation upon STING stimulation. Overall, the findings suggest that TGN tethering factors, particularly TBC1D23, are crucial for the proper functioning of the STING-IFN-I signaling pathway, especially in the context of oxidative stress and aging, which may contribute to the immunocompromised state observed in older individuals.