文献阅读-《IL-1β诱导mtDNA释放并通过cGAS-STING通路激活先天免疫》

这是2019年、来自Molecular Cell杂志的文献,现影响因子为17.97(根哥数据)。

通讯作者Michael Gale, Jr及其实验室的研究方向与先天免疫通路相关。

本篇的创新点就是将外源性IL-1β作为刺激,探究相关通路的激活响应。

一、 文章背景

介绍了PRR(模式识别受体)的三种组成,其中包括胞质DNA感受器。PRR信号包括NF-kB、IRFs(干扰素调节因子)、STAT(信号转换和转录激活蛋白)。

细胞因子同样也在先天免疫中发挥重要作用。“IL-1β被证明是炎症激活后的产物,且诱导NF-kB相关基因转录。(2010)” IL-1R可调控转录,以启动或维持ISG的表达。(实验室自引)。

IL-1β可启动细胞先天免疫,但其机制尚未完全明晰。

→→文章涉及cGAS-STING通路,IRF-IFN-ISG相关信号,IL-1β及其受体IL-1R。

二、文章研究思路

→→文章使用了A549和HFF、THP-1巨噬细胞作为实验材料。

1. 实验一

探究在不同细胞株中,IL-1β对IRF3磷酸化和IFIT1表达量的影响

IRF3的磷酸化升高又减少;IFIT1表达量升高又减少
IRF3的磷酸化减少
IRF3的磷酸化增加
IRF3磷酸化增加
A549细胞; QPCR;IRF3敲除;CCL4无明显变化;IFIT1和MX1基因表达量先升高后降低,敲除IRF3后降低得更多;CXCL10基因表达量降低,敲除IRF3后降低更多;


CCL4基因表达量降低;IFIT1基因表达量增加;CXCL10的表达总体增加;MX1表达量增加
CCL4/IFIT1/CXCL10/MX1表达增加

CCL4(NF-kB的靶基因) 

IFIT3和MX1(IRF3诱导的靶基因)

CXCL10(同时响应IRF3和NF-kB)

通过蛋白(直接)和基因(间接)证明,外源IL-1β能激活IRF3。

2. 实验二

1.1 检测IL-1β诱导的TBK1/IKKε激活中,MAVS、STING、TRIF的作用

CCL4在敲除MAVS、STING、TRIF后,表达量低(包括对照组→更低),但加入IL-1β诱导后,对照组表达量升高,敲除组同样升高但不明显→说明CCL4对敲除的几个基因的调控作用不明显;IFIT1在敲除几个基因后表达量略微变化,加上IL-1β诱导,仅g-STING降低(但与对照组无差异→无效),其余升高;对照组敲除后,CXCL10表达量普遍低,加入IL-1β后升高,g-STING组除外;对照组敲除后,MX1的表达量变化,加入IL-1β诱导后,升高,g-STING组除外。

【感觉缺少实验组的差异分析,因为实验的目的主要是IL-1β存在下的作用探究】

IFIT1和MX1在敲除cGAS和STING后,其表达量都降低,表明两基因的表达受cGAS和STING的调控;而在CCL4表达变化中,cGAS对CCL4的影响更大;CXCL10的表达量变化中,同样在6小时后呈现更低的表达量,表明受cGAS和STING的调控。


IFIT1和CXCL10、MX1,在IL-1β诱导下,受到STING的正调控
IL-1β调控IRF3磷酸化的表达,且受到cGAS和STING的正向调控;而P65的磷酸化是先升高后降低
IL-1β使cGAS和STING的磷酸化表达量增加
HFF细胞本身高表达STING;IL-1β诱导后,STING同DNA、cGAMP处理相似,围绕在核周围变多

IRF3的激活是由TBK1和IKKε蛋白激酶介导的,它们与MAVS(线粒体病毒信号转导激活因子)、STING或TRIF(TIR-domain-containing adapter-inducing interferon-β)等衔接分子协调,以调控下游底物。

通过WB和Qpcr实验,在蛋白和基因水平上,证明了外源IL-1β对IRF3的激活依赖于cGAS和STING通路。

并且,通过免疫荧光,表明了IL-1β的诱导也会促进STING在核周的重定位。

3. 实验三


最左边是亚细胞分离提取的示意图;右边两个是两个细胞株验证分离效果

细胞色素c氧化酶(COX)是呼吸链末端的酶复合体,由13个亚单位组成,定位于线粒体内膜。COX IV是其亚基之一,可以作为线粒体的marker,也可以用作研究细胞线粒体凋亡调控。

TN(tunicamycin,衣霉素)处理细胞可导致内质网应激。

在基因水平上检测IL-1β处理后,mtDNA表达量变化→升高
MFI(平均荧光强度);IL-1β处理后,线粒体质量增加,膜电位降低→复合线粒体自噬特点

JC-1 是一种广泛用于检测线粒体膜电Ψm位的荧光探针。

Mitotracker Green是线粒体质量检测染料。

左边是免疫荧光;右图是Qpcr,可看出mtDNA经溴化乙淀处理后释放减少

ethidium bromide溴化乙淀用来抑制mtDNA的复制。

IFIT1、CXCL10、MXI的表达受mtDNA正向调控,但IFIT1对核DNA不敏感

综上,IL-1β信号诱导mtDNA释放,并激活先天免疫

4. 实验四


IKKβ对线粒体膜上TOM20有影响;IKKε对线粒体膜上TOM20和VDAC蛋白都有影响

ACHP是IKKα/β的抑制剂;

PF184和TPCA1是IKKβ抑制剂。

BX795是TBK1/IKKε 的抑制剂。

NF-κB经典通路


加入IKKα/β/ε 抑制受体后,用IL-1β诱导,可继续使P65磷酸化;但IRF3的磷酸化却不能挽回、


加入抑制剂后mtDNA的相关释放量减少


TNFα诱导NFκB表达,并抑制线粒体外膜蛋白TOM20和内膜细胞色素C的表达


TNFα对mtDNA释放的影响不大(2021年一篇Cell Reports的文献证明TNF对mtDNA的释放作用)

综上,IL-1β诱导mtDNA向细胞质释放,然后通过cGAS检测到其激活STING和IRF3。

5.实验五


未敲低前,IL-1β促进干扰素基因的表达;敲低STING后,IL-1β诱导下,干扰素基因的表达量仍旧下降


敲低IRF家族对干扰素基因表达的影响,其中IRF3对干扰素基因的表达影响最大


IL-1β对STAT1/2磷酸化的影响,在不同的细胞株中有不一样的表现


上一实验中,证明STAT1的磷酸化在12h减少,但加IGg促炎症后,其磷酸化再次增加


干扰素信号转导


IGg作用


IFNAR1敲除后,IRF3的靶基因基本不表达,NF-κB的靶基因表达水平降低

综上,IL-1β刺激IFN产生和ISG表达。

6. 实验六


目的基因(GOI);IL-1β与其他PAMP联合处理有协同作用

LPS是通过TRIF信号轴作用的。

LPS在12h内促进相关基因的表达;右图是ELISA实验,LPS处理后IL-1β表达量升高,且敲除IL-1R1后也不影响IL-1β的表达

IL-1R1是IL-1(IL-1β)的受体类型之一,起传递信号的作用。


在干扰素诱导剂的存在下,相关基因12g内表达升高;右图显示干扰素诱导剂促进IL-1β的分泌,且敲低IL-1R1后仍然增加其分泌

综上,IL-1β和相关的PAMPs具有协同反应

7. 实验七


IL-1β和IFNβ都抗登革病毒感染(左图);细胞死亡在后期48h后,都是相似的


IL-1β不起作用(STING在off gRNA为什么前24h没有?)


在24h前IL-1β有抗病毒作用,敲除其受体后没有

综上,IL-1β-cGAS-STING-IRF3轴限制登革病毒感染

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