胞质DNA感受因子识别病原体感染的分子机制研究

The innate immune response is the first line of defense against infectious agents. Recognition of microbial pathogen-associated molecular patterns (PAMPs), especially nucleic acids, is one strategy by which mammalian hosts respond to infectious agents. The triggering of sensor(s) through cytosolic DNA recognition will initiate the host-defense-related transcriptional activation of a wide array of innate immune and proinflammatory genes in addition to type I IFN. The proposed study in this project will focus on the elucidations of the following key questions: 1) So far, many cytosolic DNA sensors have been identified, such as cGAS、DDX41、IFI16. They all use STING as the adaptor to transmit the signals to TBK1. What are the structural bases and molecular mechanism for the DNA sensing and signaling; 2) Cellular defense activation of cytosolic DNA signaling by STING has been reported recently, how DNA is recognized by STING. Amongst those DNA sensors who is the major one; 3) How the DNA sensors differentiate themselves, how they work collaboratively. Based on our preliminary studies, combining structural biology, cell biology technology and knock-out mice model, we will try to get insights into the molecular mechanism on microbial infection and host innate immune response. Through the proposed study, we hope to unveil some new mechanisms on DNA sensing and innate immune signaling.

天然免疫反应是机体抵抗病原微生物入侵、保护自身的第一道屏障。天然免疫系统通过模式识别受体对入侵病原微生物的分子模式进行特异性识别并激活胞内免疫反应的信号通路和基因表达。本项目聚焦识别病原微生物的DNA感受因子，研究其识别和信号传递的分子机制。关注的主要科学问题是：1）cGAS、DDX41、IFI16等多种DNA感受因子识别病原微生物DNA的结构基础和分子机制；2）STING作为胞内DNA的直接感受因子的结构基础，cGAS是否为占主导地位的DNA感受因子；3）这些DNA感受因子的特异性和协同效应的获得机制。在已有的工作基础上拟联合使用结构和细胞生物学等手段以及基因敲除动物模型，在分子、细胞和活体等不同层面揭示宿主细胞内DNA感受因子识别病原体DNA并激活STING依赖的I型干扰素产生的机理。争取解析一批DNA感受因子及其与DNA复合物的晶体结构，发现一些病原体识别和免疫信号传递的新机制。

真核生物的天然免疫反应发生于抗感染应答的初期阶段，是机体抵抗病原微生物入侵、保护自身的第一道屏障。天然免疫系统可以激活干扰素直接阻断病原微生物的复制、也可以通过炎症反应等机制直接清除感染，另外还可以诱导获得性免疫系统的活化，进而激发更加高效和特异性的免疫应答，故天然免疫是机体免疫之本。天然免疫系统通过机体的模式识别受体对入侵微生物中高度保守的“分子标签”进行特异性识别，从而感知细菌、病毒等外来微生物入侵并激活不同的胞内信号通路和基因表达，启动机体免疫反应。天然免疫如同机体的眼睛，监视与识别各种不同疾病相关的分子模式。因此，了解机体免疫系统对核酸识别和检测的分子基础是天然免疫研究的重要内容。近年来胞质内DNA识别信号通路中各种调控分子，例如STING、STAT6、IFI16、DDX41、DNA-PKC、cGAS等DNA感受因子逐渐被发现，作用机制被逐渐阐明，但分子机制还有待于进一步研究。.本课题聚焦宿主细胞胞质内DNA感受因子识别病原体DNA并激活STING依赖的I型干扰素诱导途径的相关重要因子。拟解析cGAS及其产物类似物复合物晶体结构；STING与DNA及cGAMP复合物结构；DDX41及DDX41-dsDNA复合物，DDX41-c-di-GMP/c-di-AMP复合物晶体结构；IFI16 HINa domain与DNA的复合物结构。在解析上述晶体结构的基础上，利用荧光标记热稳定性实验（Fluorescence-based Thermal Shift）、定点突变法、分析超速离心法、ITC、Biacore、以及基于真核细胞的Luciferase reporter实验，研究胞质内DNA感受因子-尤其是cGAS、DDX41、IFI16等识别病原微生物DNA并通过STING依赖途径诱导I型干扰素产生的结构生物学基础以及此类DNA感受因子激活STING的分子机制。.通过课题实施，研究团队成功解析了一系列胞质内DNA感受因子及其复合物的精细三维结构：包括人源IFI16 HINa结构域和DNA复合物、人源DDX41-DEAD结构域结合SO42-和Mg2+复合物、STAT6核心片段以及STAT6-dsDNA复合物的晶体结构。研究成果为揭示天然免疫系统防御病原微生物感染的分子机制提供了新思路，并为研发抗病原体药物打下坚实基础。