Antitumor astins originate from the fungal endophyte Cyanodermella asteris living within the medicinal plant Aster tataricus
中药紫菀为菊科紫菀属植物紫菀(Aster tataricus ) 的干燥根和根茎，研究发现该属中的一类环肽astins可通过与STING蛋白结合发挥其抗肿瘤活性。本文证明astin是由植物内生菌Cyanodermella asteris 通过非核糖体途径合成主要骨架(不是植株产生)，并需要与植物共生才能产生其他关键的astin变体。这些研究为生产具有经济效益的astin奠定基础，同时揭示在共生过程中可产生特定植物化学变体。
Fig 1. Biosynthesis model for the main astin variants.叨叨：不同物种间共生关系的阐述对于生物进化具有重要意义，为解释生命现象的本质提供理论基础。本文将astin变体的生物合成归于内生菌与其他物种的互作结果，这是本次研究重要的现象，不同物种间修饰同一个主要骨架分子，可代表一类共进化现象，一方将分子释放另一方结构修饰，这可能涉及到共生优势问题。背景1: cGAS-STING信号通路作为天然免疫系统的一个重要组成部分，可检测胞浆内细菌或者病毒来源的双链DNA的存在，进而诱导炎症基因的表达。细胞内的DNA通常存在于细胞核中，当有肿瘤发生、细胞损伤或者病毒感染时，会有部分异常DNA定位在细胞质中。存在于细胞质中的DNA会被环状GMP-AMP合成酶（cyclic GMP-AMP Synthase, cGAS）探测到，随后cGAS会催化GTP和ATP之间发生化学反应并生成环鸟腺苷酸（cyclic GMP-AMP, cGAMP）的小分子，该小分子作为先天免疫系统的信使会与内质网膜上的STING分子结合。因此，cGAS就像一个防盗报警器，cGAMP则是防盗报警器产生的电信号。cGAMP 结合并激活 STING蛋白，STING蛋白是一种作为细胞对异常胞浆 DNA 作出免疫应答的关键组分的跨膜接头蛋白，STING 被激活后随TBK1 从内质网一起转位至核周内体。TBK1 激酶磷酸化并激活干扰素调节因子 (IRFs) 和 NF-κB，后者诱导 I 型干扰素和其他免疫应答基因。作为固有免疫的重要分子，STING成为研究人员利用免疫系统对抗肿瘤切入点。目前，STING的激动剂与抑制剂的研发处于热点状态，诺华（PD-1检查点抑制剂）已与Aduro（STING激动剂）联合启动用于治疗晚期/转移性实体瘤和淋巴瘤临床实验。因此，STING对于肿瘤免疫、癌症及自身免疫疾病治疗具有应用前景。背景2: astin C可特异性地抑制cGAS-STING信号通路--从结构上，astin C可直接调控STING信号小体并结合于STING的C端结构域，STING蛋白第232位组氨酸（H232）与第238位精氨酸（R238）对于结合astin C不可或缺，同时H232也是传统CDNs结合位点。因此，astin C可与CDNs竞争性结合于STING。从机制上，astin C阻碍了IRF3被招募于STING信号小体，且对于HSV-1病毒与李斯特菌感染的小鼠与细胞，astin C显著降低了宿主的抗病病原体防御能力。由于Trex1（DNase III）缺失的小鼠中，cGAS-STING信号通路会引发自身炎症反应，研究人员利用Trex1-/-小鼠验证astin C的体内功能。结果证实astin C可减轻Trex1-/-小鼠的自身炎症反应，表现为炎性因子的表达降低与血清中自身抗体丰度的减少。
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参考文献：
https://www.pnas.org/content/early/2019/12/05/1910527116
紫菀为菊科紫菀属植物紫菀(Aster tataricus ) 的干燥根和根茎，为常用中药材，含有萜类、肽类、甾醇类、香豆素类、黄酮类等化学成分。而环肽astins是A. tataricus 干燥根和根茎中的一类特色化学成分，可通过与STING蛋白结合发挥其抗肿瘤活性。Astin A-C是一类含有氯代脯氨酸(ProCl2) 、L-2-氨基丁酸(2Abu) 、L-丝氨酸(Ser) 、L-β-苯丙氨酸 (βPhe)环五肽类化合物，此结构与真菌T. islandicus 中的毒素cyclochlorotine结构很相似；根据HPLC-MS，新鲜植物根部的提取物也含有astin，但是在相同条件下有些植物不含任何的Astin，表明astins可能起源于真菌。除根和根茎外，Astins的花序和叶都很丰富，这表明产生Astin的真菌必须与植物紧密接触，例如内生菌，而不是松散结合的土壤环境中的微生物群落。
Fig 2. Distribution of astins and C. asteris in the plant A. tataricus.
因此作者首先研究紫菀的内生菌，对根部和花序分离出的内生真菌进行核糖体内部转录间隔区（internal transcribed spacer,ITS）测序，共鉴定了22种代表性分离株，结果发现在来源于花序的C. asteris 中产生astin。随后作者利用Illumina MiSeq系统对C. asteris 进行基因组测序，编码的5种NPRS酶均属于I型NRPS，最终确定AstN (614 kDa)可组装Astin的五肽，并且发现其与T. islandicus. 的CctN基因簇(负责cyclochlorotine的生物合成)类似，推断出AstN结构为2Abu−Pro−2Abu−Ser−βPhe，即2Abu在A1和A3加入，Pro在A2加入，Ser在A4加入，βPhe在A5加入。但是在生物合成基因簇中没有鉴定出卤化酶的编码基因。
Fig 3. The ast biosynthetic gene cluster in comparison to the cyclochlorotine biosynthetic gene cluster.
有趣的是，在宿主植物中检测到的astin衍生物数量多于在真菌培养物中产生的数量。为了诱导更多astin衍生物的产生，作者对C. asteris 进行不同培养条件测试，发现均未产生Astin A或其他羟基化变体；将C. asteris 重新引入到不含Astin的A.tataricus植物中，则大多数的Astins又会重新出现，表明其生物合成需要不止一个物种，并且需要来自另一方的诱导物或生物合成相关酶(如宿主植物本身或其寄生的除C. asteris 以外的内生菌)。
Fig4. The production of astins by A. tataricus and C. asteris.
总之，本研究发现Astins可由C. asteris通过非核糖体生物合成途径产生并阐明其生物合成基因簇，此外Astin A和其他植物专有衍生物仅通过共生途径进行生物合成，astin C产量为20 mg/L，可将内生菌应用于工业实际生产。
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