关于溶酶体功能障碍激活先天性免疫感知驱动多种溶酶体贮积症的研究报告
作者与期刊 本项研究由Ailian Wang、Chen Chen、Chen Mei、Shengduo Liu、Cong Xiang、Wen Fang、Fei Zhang、Yifan Xu、Shasha Chen、Qi Zhang、Xueli Bai、Aifu Lin、Dante Neculai、Bing Xia、Cunqi Ye、Jian Zou、Tingbo Liang、Xin-Hua Feng、Xinran Li、Chengyong Shen以及Pinglong Xu共同完成。研究论文《Innate immune sensing of lysosomal dysfunction drives multiple lysosomal storage disorders》已发表于《Nature Cell Biology》期刊，并于2023年12月在线发表。
研究背景与目标 本研究属于神经科学、免疫学和遗传学交叉领域，聚焦于溶酶体贮积症（Lysosomal Storage Disorders， LSDs）的致病机制。LSDs是一组由遗传和代谢缺陷导致溶酶体功能失调的疾病，数量超过60种，其总体发病率约为1/5000，给全球数百万人带来沉重的健康和经济负担。这类疾病的主要特征之一是功能性细胞（尤其是终末分化的神经元）进行性死亡，导致严重神经功能缺损和全身多系统病变。尽管已知多种基因突变（如HEXB、GLA、NPC1、CTSD、GBA等）可导致不同亚型的LSDs，但其引发细胞死亡、驱动疾病进展的确切共同机制尚不完全清楚。目前，针对LSDs的疗法如酶替代疗法（ERT）、底物减少疗法（SRT）等，覆盖面有限、成本高昂且效果不一，因此迫切需要寻找其共同病理机制并开发广谱有效的治疗策略。
先天性免疫系统通过模式识别受体监测细胞损伤。其中，cGAS（cyclic GMP-AMP synthase）作为胞质双链DNA（dsDNA）传感器，在感知到异常dsDNA后会合成第二信使cGAMP，进而激活位于内质网的衔接蛋白STING（stimulator of interferon genes），最终启动I型干扰素（IFN-I）和大量干扰素刺激基因（ISGs）的表达，引发强烈的炎症和细胞死亡反应。先前研究表明，cGAS-STING信号通路与多种神经退行性疾病（如肌萎缩侧索硬化症、帕金森病、阿尔茨海默病）相关，且STING的降解依赖于溶酶体途径。基于此，研究团队提出了一个核心科学问题：神经元固有的cGAS-STING信号通路是否构成了连接各种LSDs中溶酶体功能障碍与神经元死亡的共同、普适性机制？本研究的目的是系统验证这一假说，阐明其分子细节，并探索靶向该通路作为治疗多种LSDs新策略的可行性。
详细研究流程与结果分析 研究流程分为几个相互关联、层层递进的阶段，综合运用了多种基因敲除小鼠模型、细胞模型、行为学分析、分子生物学、免疫组织化学和影像学技术。
第一阶段：在LSD小鼠模型中发现STING信号通路被结构性激活 研究首先以Sandhoff病（由Hexb基因突变引起）小鼠模型（Hexb−/−）为切入点。免疫组化证实了12周龄Hexb−/−小鼠小脑和脑干神经元中存在GM2神经节苷脂的显著积累。关键发现是，在这些积累部位的神经元（如浦肯野细胞、小脑深部核团神经元）中，内源性STING蛋白发生明显聚集（这是其活化的标志）。进一步的蛋白质印迹分析显示，Hexb−/−小鼠的脑干、小脑组织以及原代神经元中，STING-TBK1-IRF3信号轴被强烈激活，表现为TBK1和IRF3的磷酸化水平升高，其下游效应分子pSTAT1和ISGs（如RIG-I、ISG15、CXCL10、CCL5）表达显著上调。这种激活在Hexb敲除的N2a神经母细胞瘤细胞中也得到重现。为了确认这种激活直接源于溶酶体功能障碍，研究者通过脑室注射腺相关病毒（AAV9）向新生Hexb−/−小鼠神经元递送能修复溶酶体功能的蛋白SNX8（该团队未发表的工作）。结果发现，SNX8的表达有效降低了浦肯野细胞中的STING信号激活和脑组织中的干扰素信号。这些结果表明，在Sandhoff病中，神经元内存在由溶酶体功能障碍驱动的结构性STING信号激活。
第二阶段：验证STING信号在LSD疾病进展中的关键作用 接下来，研究通过遗传学手段探究STING活化的功能意义。在Hexb−/−小鼠中同时敲除Sting1基因（Hexb−/−Sting1−/−）。行为学测试显示，与Hexb−/−小鼠相比，Hexb−/−Sting1−/−小鼠的运动功能障碍得到显著改善：在旷场实验中总运动距离增加，在转棒实验中跌落潜伏期延长，前肢抓力增强，后肢紧扣评分降低。更重要的是，Sting1的敲除显著延长了Sandhoff病小鼠的寿命。这表明STING的活化是疾病表型进展的关键驱动因素。 进一步机制探索发现，Sting1敲除并未减少Hexb−/−小鼠脑内的GM2贮积，说明STING作用于贮积的下游。然而，它显著减轻了由Hexb缺失引发的神经炎症（小胶质细胞和星形胶质细胞的激活）和脑干神经元的丢失。为确认这是神经元自主的效应，研究者构建了在兴奋性神经元中特异性表达组成性活化STING突变体（cA-STING）的小鼠，这些小鼠表现出强烈的cGAS-STING信号激活和神经元丢失。相反，在Hexb−/−小鼠中特异性敲除兴奋性神经元内的Sting1，则能保护这些神经元免于死亡。这些体内外实验共同证明，神经元固有的cGAS-STING信号活化足以并直接导致LSD中的神经元死亡。
第三阶段：探究cGAS-STING激活是否是多种LSD的共同特征 研究团队将视野扩展到其他类型的LSDs。在细胞水平，他们使用CRISPR技术敲除了分别导致CLN10病（Ctsd）、尼曼-匹克病C1型（Npc1）和高雪病（Gba）的基因。在所有这些神经元细胞模型中，都观察到了STING-TBK1-IRF3信号轴的显著自激活，并且这种激活可被STING的小分子抑制剂（H151， C-176）所抑制，ISGs和炎症因子mRNA水平也相应升高。在动物模型上，研究团队检查了Fabry病（Gla−/−）和尼曼-匹克病（Npc1−/−）小鼠。在Gla−/−小鼠的背根神经节（DRG）神经元和Npc1−/−小鼠的浦肯野细胞中，均发现了内源性STING的聚集和活化信号。这些发现强有力地证明，结构性cGAS-STING信号激活是多种遗传背景不同的LSDs中的一个普遍、共同特征。
第四阶段：阐明cGAS-STING激活的分子触发机制——胞质dsDNA积累 研究试图揭示LSDs中STING持续激活的上游信号。他们发现，在Hexb−/−小鼠的脑组织切片、小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）以及原代神经元中，存在异常的胞质dsDNA积累。这些dsDNA与线粒体标记物Tom20共定位，提示其可能来源于受损的线粒体。使用溴化乙锭去除线粒体DNA（mtDNA）后，Hexb−/−神经元细胞中cGAS-STING信号的激活被显著削弱。更重要的是，在多种LSD细胞模型（Hexb、Npc1、Ctsd敲除）以及Npc1−/−小鼠的小脑组织中，检测到第二信使cGAMP的产量显著增加，这直接证实了cGAS酶的活性被异常dsDNA触发。 与此同时，研究观察到在溶酶体功能障碍（如用巴弗洛霉素A1处理）或不同LSD背景下，cGAS蛋白从细胞核大量易位至细胞质，并在溶酶体附近聚集。这种易位在神经元中尤为明显。遗传学实验证实了cGAS的核心地位：在N2a细胞中敲除Cgas，能够完全阻断由Ctsd、Npc1或Gba敲除引发的STING信号激活和ISG表达。
第五阶段：在体验证cGAS的关键作用及靶向治疗潜力 为了在动物整体水平确认cGAS的致病角色，研究者构建了Hexb/Cgas双敲除（Hexb−/−Cgas−/−）和Gla/Cgas双敲除（Gla−/−Cgas−/−）小鼠。与预期一致，Cgas的敲除有效地抑制了Hexb−/−或Gla−/−小鼠神经元中STING信号的异常活化，减轻了脑内炎症因子表达，挽救了Hexb−/−小鼠的运动功能障碍和神经元丢失，并显著延长了其寿命。 基于“异常胞质dsDNA积累是触发通路的关键事件”这一发现，研究团队开发了一种潜在的治疗策略：在神经元内消化这些过多的dsDNA。他们通过脑室（针对Hexb−/−和Npc1−/−小鼠）或鞘内（针对Gla−/−小鼠）注射AAV9病毒，向患病小鼠的神经元递送小鼠来源的Trex1（一种胞质DNA核酸外切酶）。令人振奋的是，这种干预措施成功地消除了神经元内异常聚集的dsDNA，显著降低了STING信号的活化，增加了神经元存活数量（如在Npc1−/−小鼠中保护了浦肯野细胞），并大幅改善了三种不同LSD模型小鼠的运动功能缺陷和相关病理表型。
研究结论与意义 本研究得出以下核心结论：多种遗传病因导致的溶酶体功能障碍，会引发神经元胞质内dsDNA（主要来自线粒体）和cGAS蛋白的异常积累，从而结构性、自主性地激活神经元固有的cGAS-STING先天性免疫信号通路；该通路的过度活化直接驱动神经元的死亡、神经炎症以及随后的疾病进展。因此，cGAS-STING信号是连接溶酶体缺陷与神经元死亡的一个普遍、核心机制。
本研究的科学价值重大：首先，它揭示了一种前所未有的连接细胞代谢（溶酶体功能）与先天性免疫的核心机制，极大地深化了我们对LSDs，乃至更广泛的神经退行性疾病发病机理的理解。其次，研究提出了一个统一的“溶酶体贮积→胞质dsDNA/cGAS积累→cGAS-STING激活→神经元死亡”致病轴，为理解60多种临床表现各异的LSDs提供了一个共通的框架。在应用价值方面，研究证实靶向这一共同通路（如敲除Cgas/Sting1，或通过AAV递送Trex1消化胞质dsDNA）能在多种LSD动物模型中有效缓解症状，这为开发一种“以一治多”的广谱治疗策略提供了坚实的理论依据和极具前景的技术路径。相较于目前针对单一酶缺陷的、高成本的个体化疗法，靶向cGAS-STING通路可能成为一种更通用、更具成本效益的新选择。
研究亮点与创新性 1. 重要发现：首次系统性地证明神经元固有的cGAS-STING信号通路是多种LSDs的共同致病机制，确立了先天性免疫感知在溶酶体代谢疾病中的核心地位。 2. 机制创新：阐明了从溶酶体功能障碍到先天性免疫激活的具体分子链条，即异常胞质dsDNA积累驱动cGAS活化，填补了该领域的知识空白。 3. 研究范式的普适性：通过涵盖五种遗传背景迥异的LSD模型（Sandhoff病、Fabry病、尼曼-匹克病、CLN10病、高雪病），从细胞到整体动物水平进行了全面验证，使结论具有高度说服力和普适性。 4. 治疗策略的创新性：创造性提出并验证了通过AAV递送Trex1核酸酶清除神经元内异常dsDNA，从而治疗LSDs的新概念。这种基于发病机制共同点的基因治疗策略，为开发广谱LSD疗法开辟了新方向。 5. 对争议的澄清：在论文准备期间，有研究报道尼曼-匹克病中存在cGAS非依赖的STING激活。本研究通过多项互补实验（检测到dsDNA/cGAMP积累、cGAS胞质易位，以及Cgas敲除可完全阻断信号等），有力证实了在尼曼-匹克病模型中，cGAS仍然是STING激活的主要且必需的传感器，巩固了本研究所提出机制的普遍性。
其他有价值的内容 本研究还展示了精细的实验设计，例如利用神经元特异性Cre小鼠（Camk2α-cre）实现Sting1在兴奋性神经元中的条件性敲除或cA-STING的条件性表达，精确地证明了神经元自主效应。此外，行为学测试（转棒、抓力、后肢紧扣等）与病理学、分子生物学指标的良好对应，全面评估了干预措施的效果。研究也提示，cGAMP可能通过细胞间连接（如连接蛋白）传播至周围的神经胶质细胞，从而放大神经炎症反应，这为理解LSDs中复杂的神经免疫交互提供了新的思考维度。