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生命科學
Life science
高爾基體是蛋白由內質網向其他細胞區室轉運的重要樞紐，高爾基體在囊泡運輸和蛋白與脂質分泌方面有重要的作用。近期的研究發現高爾基體還可以作為協調固有免疫通路的信號轉導平臺。
近日中國科學技術大學周榮斌教授和龔濤博士團隊基於高爾基體在固有免疫信號轉導中的功能，在Cell Press旗下期刊Trends in Cell Biology上發表綜述，詳細闡述高爾基體以其與內質網、溶酶體等細胞區室間的細胞膜網絡在固有免疫應答中發揮的作用，並對未來的研究作出展望。
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固有免疫應答中的高爾基體：是分選細胞器，更是信號轉導平臺
高爾基體是存在於真核細胞中的膜結合細胞器，由一系列單位膜構成的扁平囊疊加在一起組成。高爾基體是極化的細胞器，其扁平囊可以分為3個功能不同的部分：順面(cis), 中間（medial）與反面（trans），在高爾基體的順面與反面分別組成順面高爾基網（CGN）與反面高爾基網（TGN）。來自內質網（ER）的蛋白與脂質首先由CGN接收，在高爾基體內加工後，由TGN打包並以小泡形式運送至細胞膜、胞外或溶酶體。此外，TGN也可以接收和加工來自內體的成分。作為一個由分選功能的細胞器，高爾基體在固有免疫受體、配體和產物的修飾與加工過程中享有核心地位，例如白介素6（IL-6）和幹擾素β（IFN-β）等炎症因子即是由上述內質網-高爾基途徑分泌的(Boncompain & Weigel, 2018; Murray & Stow, 2014)。
哺乳動物固有免疫系統通過模式識別受體（PPRs）識別細菌感染與細胞應激。至今，人們已發現5類PPRs，分別是膜結合的Toll樣受體（TLRs）、C類凝集素受體（CLRs）、NOD樣受體（NLRs）、視黃酸誘導基因1（RIG-I）樣受體（RLRs）及一些DNA感應蛋白(Gong, Liu, Jiang, & Zhou, 2020)。活化後的PPRs不僅可以開始一系列炎症因子的分泌，而且可以誘導多種抗菌反應，如炎症細胞的死亡與自噬。以往的研究已說明PPRs介導的胞內信號通路與細胞膜、內體、內質網和線粒體等特定亞細胞結構密切相關。近期的研究發現高爾基體不僅僅是胞內分選的細胞器，其亦參與固有免疫應答的信號轉導，並在其中扮演重要的角色(Brubaker, Bonham, Zanoni, & Kagan, 2015; Chen & Chen, 2018)。
高爾基體與NLRP3炎症小體
多種胞內NLRs可以啟動炎症小體的組裝，從而促進IL-1β與IL-18的分泌和細胞焦亡。與其他只能夠被少數病原菌分子激活的炎症小體不同，NLRP3炎症小體不僅可以由病毒RNA和奈及利亞菌素（Nigericin）等分子激活，也可以由石棉和二氧化矽等環境刺激物，以及尿酸單鈉晶體、膽固醇晶體和細胞外ATP等代謝產物激活。過度活化的NLRP3炎症小體能夠導致多種炎症疾病，如2型糖尿病、阿爾茲海默症和腦卒中(Gong, Jiang, & Zhou, 2018; Tang, Gong, Jiang, & Zhou, 2018)。
近期研究發現，在NLRP3激動劑的作用下，溶酶體、線粒體和高爾基體等多種細胞結構發生功能失調或損傷，從而起始NLRP3炎症小體的組裝。高爾基體、內質網與線粒體的連接是NLRP3炎症小體激活的重要一環(Gong, Yang, Jin, Jiang, & Zhou, 2018)。
▲圖1
多種NLRP3激活劑誘導NLRP3與內質網上的固醇調節原件結合蛋白2（SREBP2）和SREBP切割-激活蛋白（SCAP）的相互作用。
NLRP3-SCAP-SREBP2三聯複合體由內質網進入順面高爾基體，SREBP2在這裡被切割，N端SREBP2（N-SREBP2）進入細胞核並促進膽固醇合成相關基因的表達。
到達順面高爾基體後，NLRP3也能夠以動態的方式穿過高爾基體到達反面高爾基體網（TGN），經蛋白激酶D（PKD）的作用而實現磷酸化。
多種NLRP3激活劑引起TGN的分解，分解後的TGN（dTGN）則成為促進NLRP3聚集和炎症小體通過磷脂醯肌醇-4-磷酸（Ptdlns4P）組裝的腳手架。除了將NLRP3磷酸化，PKD還能夠通過磷脂醯肌醇-4激酶3β而激活NLRP3。
高爾基體與核酸感知
環GMP-AMP合酶(cGAS)可以直接識別胞內雙鏈DNA，誘導第二信使環GMP-AMP（cGAMP）的產生，是固有免疫應答中重要的受體(Sun, Wu, Du, Chen, & Chen, 2013)。cGAMP與幹擾素基因刺激蛋白（STING）結合併將其活化，從而激活TANK結合激酶1（TBK1）與IκB激酶（IKK），通過轉錄因子IFN調節分子3（IRF3）和核因子（NF）-κB，引起細胞產生I型幹擾素（IFN-I）和其他炎症因子。STING最初被認為是位於內質網的跨膜蛋白，早期的研究發現活化的STING從內質網進入高爾基體並最終形成胞質小泡，與TBK1組裝並促進IFN-I生成。越來越多的研究說明，內質網-高爾基體中間室（ERGIC）與高爾基體室與STING的活化息息相關(Dobbs et al., 2015)。微生物來源的雙鏈RNA通過激活TLR3與RLR信號引起固有免疫應答。雖然這些模式識別受體的下遊銜接蛋白不同，但它們都通過TBK1的招募與激活而最終導致IRF3依賴的IFN-I生成(Chow, Gale, & Loo, 2018)。
▲圖2
(A) cGAS直接識別胞漿內雙鏈DNA，誘導第二信使cGAMP的產生。（a1）cGAMP與內質網上的STING結合併將其活化；（a2）與cGAMP結合後，STING以外殼蛋白複合物II（COPII）依賴的方式由ERGIC進入高爾基體；（a3）到達高爾基體後，STING被棕櫚醯化，招募並激活TBK1，通過轉錄因子IFN調節分子3（IRF3）促進IFN-I的釋放；（a4）含有STING的ERGICs也可以參與LC3脂質化和自噬小體形成；（a5）含有STING的高爾基分泌小泡和自噬小體以RAB-7依賴的方式分選進入溶酶體，引起STING和DNA降解。
(B) 微生物來源的雙鏈RNA（dsRNA）通過TLR3、RIG-I和黑色素分化相關蛋白5（MDA5），誘導TBK1依賴的IRF3活化和IFN-I生成。（b1）活化後的內體TLR3招募銜接蛋白TRIF，胞漿RIG-I與MDA5招募並激活線粒體抗病毒信號蛋白（MAVS）；（b2）銜接蛋白的激活引起TBK1的招募和轉運，腫瘤壞死因子受體相關分子（TRAF3）定位於高爾基體並和OPTN-TBK1複合體相互作用，活化TBK1；（b3）高爾基體、線粒體和內體的空間排列或TBK1-OPTN複合體的動態轉運對於高爾基體TRAF3-OPTN-TBK1激活而言是必不可缺的。
高爾基體與IFN誘導的GTPase
上文指出，多種PRRs的活化均促進一型幹擾素（IFN-I）的生成。IFN-I通過上調多種IFN刺激基因（ISGs）發揮其抗菌、抗病毒功能，其中一類重要的蛋白為幹擾素誘導的GTPase。鳥苷酸結合蛋白5（GBP5）與免疫相關GTPase家族M（ITGM）是定位於高爾基體的兩類IFN-誘導的GTPase(Hansen et al., 2017; Ngo, Papa, Perera, Bolton, & Sengupta, 2017; Springer, Schramm, Taylor, & Howard, 2013)。
▲圖3
IFN-I與IFN-II均可以促進IFN-誘導GTPase的表達。（a1）GBP5和（b1）IRGM是位於高爾基體上的IFN-誘導的GTPase。（a2-a3）GBP5抑制高爾基體上的蛋白酶Furin，從而抑制病毒包膜糖蛋白（Env）的加工和結合。（b2）IRGM1由高爾基體遷移至吞噬小體，並與I類磷脂醯肌醇3激酶（PI3Ks）相互作用；（b3）IRGM促進Beclin1等自噬有關蛋白的作用；（b4）IRGM依賴的吞噬小體與自噬小體變為溶酶體，並降解胞內病原微生物。
微生物劫持策略：影響高爾基體相關固有免疫應答
由於高爾基體在固有免疫應答中的重要作用，多種病原微生物通過靶向高爾基體或高爾基體有關蛋白的方式抑制宿主免疫反應或促進其在宿主細胞內生存。
▲圖4
結論與展望
教授團隊對於高爾基體在固有免疫應答方面的功能進行了總結，強調了高爾基體是連接多個細胞區室的重要平臺，指出其在宿主免疫應答信號轉導的重要功能。而高爾基體如何與其他細胞結構相互聯繫，及其在固有免疫應答活化過程中的詳細機制仍值得進一步研究。
本文參考文獻（上下划動查看）
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通訊作者介紹
周榮斌
教授
周榮斌，中國科學技術大學教授，博士生導師，生命科學與醫學部副部長，基礎醫學院執行院長。2015年獲國家傑出青年科學基金支持，2016年入選科技部中青年科技創新領軍人才,2017年入選中組部萬人計劃領軍人才，2018年獲基金委創新群體項目支持，2019年獲科技部重點研發項目支持、入選教育部長江學者特聘教授並獲國家自然科學二等獎。
主要從事免疫和炎症信號轉導及疾病機制研究，以第一/通訊作者在Nature、Cell、Nat Rev Immunol、Nat Immunol、Immunity、J Exp Med等雜誌發表論文20餘篇，他引6000餘次。獲中國優秀青年科技人才獎（2016）、中國青年科技獎（2016）、談家楨生命科學創新獎（2016）等獎項。擔任Cellular & Molecular Immunology編委。任中國免疫學會青年工作委員會主任委員，基礎免疫分會副主任委員。
相關論文信息
原文刊載於CellPress細胞出版社
旗下期刊Trends in Cell Biology上，
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