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正確識別細胞質DNA對于激活免疫反應至關重要【1】。cGAS (cyclic GMP-AMP synthase) 蛋白是近年來發(fā)現(xiàn)的細胞質DNA的主要感受器【2】。結合雙鏈DNA后，cGAS利用ATP和GTP合成小分子2′3′-cGAMP (2′–5′, 3′–5′, cyclic GMP–AMP) 。2′3′-cGAMP作為第二信使直接結合下游受體蛋白STING并激活I型干擾素和NF-kB信號，從而引發(fā)一系列機體的免疫反應。抑制cGAS-STING信號通路與癌癥發(fā)生密切相關，相反，過度激活該信號通路則會導致自發(fā)免疫疾病。因此，精確控制cGAS-STING信號通路的激活對于正確的免疫應答至關重要。

cGAS的激活需要其直接結合雙鏈DNA并形成cGAS-DNA的蛋白核酸復合體。人類cGAS-DNA復合體的結構闡明了人類cGAS如何以序列非特異的方式結合雙鏈DNA分子，誘導構象改變并激活其酶的活性【3】。除此之外，cGAS信號通路的激活還需要大量的cGAS和DNA分子通過液-液相分離的形式形成類似于液滴狀態(tài)的凝聚體【4】。但是一個重要的生物學問題是cGAS-DNA相分離如何增強免疫響應還不清楚，是通過直接增加2′3′-cGAMP的合成還是控制其他生物學過程？

在揭示了人類cGAS如何感知DNA長度特異性的分子機理之后 (詳見BioArt報道：) ，2021年2月18日，來自哈佛醫(yī)學院、丹娜–法伯癌癥研究所的周穩(wěn)博士等以長文形式 (Article) 在Molecular Cell上發(fā)表了題為cGAS phase separation inhibits TREX1-mediated DNA degradation and enhances cytosolic DNA sensing的文章，闡述了為什么DNA引起的免疫反應需要cGAS和DNA發(fā)生相分離現(xiàn)象——cGAS相分離通過抑制TREX1核酸酶的活性從而增強免疫響應。TREX1是cGAS-STING免疫信號主要的負調控因子。作為定位于細胞質的DNA外切核酸酶，TREX1通過降解細胞質DNA，從而防止cGAS-STING信號的過度激活【5,6】。研究人員發(fā)現(xiàn)cGAS-DNA的相分離抑制了TREX1的核酸酶活性，極大的減緩了TREX1降解DNA的效率，從而保證了在存在TREX1的細胞環(huán)境中DNA仍然能夠激活cGAS介導的免疫反應。

研究人員首先系統(tǒng)的分析了cGAS相分離對于其自身酶活性的影響。他們意外地發(fā)現(xiàn)cGAS的相分離在體外并沒有直接調控2′3′-cGAMP的合成。通過純化一系列cGAS同源蛋白，他們發(fā)現(xiàn)cGAS同源蛋白自身的酶活與其相分離能力沒有必然關系，比如小鼠cGAS具有最強的酶活性以及最弱的相分離能力，相反，人類cGAS具有最強的相分離能力以及最弱的酶活能力。另外，通過氨基酸突變的方式，研究人員篩選到了一系列cGAS突變體，有些突變體在體外系統(tǒng)能夠增加相分離的能力卻不影響其本身酶的活性，反之亦然。這些結果表明cGAS相分離對于其自身的酶活是可有可無的，但是，研究人員進一步證實了cGAS的相分離對于細胞內2′3′-cGAMP的合成以及免疫響應是必須的。因此，細胞內與體外結果的不一致暗示cGAS相分離的發(fā)生必然通過調控其他生物學過程從而增強免疫反應。

隨后研究人員發(fā)現(xiàn)cGAS-DNA相分離的關鍵功能是抵抗DNA外切酶TREX1的活性。在體外重構系統(tǒng)中，TREX1能夠高效的降解DNA，但是在誘導cGAS相分離現(xiàn)象后，TREX1的核酸酶活性被極大的抑制。在細胞中，cGAS相分離突變體表現(xiàn)出免疫激活缺陷，而且這種缺陷部分依賴于TREX1，進一步證實了cGAS相分離與TREX1相關。隨后科研人員通過體外重構和熒光顯微鏡技術闡述了cGAS相分離抑制TREX1的分子機理。他們發(fā)現(xiàn)cGAS-DNA的相分離具有選擇性，相分離的cGAS-DNA復合體能夠允許cGAS、DNA和ATP等分子快速進入，但是熒光標記的TREX1分子被阻擋在相分離的液滴之外，形成特殊的外環(huán)結構。這些結果表明cGAS-DNA相分離類似于一種特殊的“篩子”，cGAS激活所需要的分子（比如底物ATP和GTP）能正常進入，但是TREX1降解DNA卻被阻擋到相分離的液滴之外。

TREX1基因突變是導致自身免疫疾病的常見病因。由于TREX1功能的缺失造成cGAS過度活化從而導致包括Aicardi-Goutières癥(AGS)在內的自身免疫疾病【7】。很多TREX1疾病突變直接影響了其核酸酶活性從而導致cGAS信號的過度激活，但是有一些疾病突變并沒有直接影響TREX1本身的核酸酶活性，所以這一類突變的致病機理未知【8】。研究人員發(fā)現(xiàn)AGS相關的TREX1 E198K突變極大的影響了TREX1與cGAS-DNA相分離復合體的相互作用，該突變體的活性被相分離的cGAS劇烈抑制，并且這種抑制只有在存在cGAS-DNA相分離的情況下發(fā)生。因此，cGAS-DNA相分離模型為自身免疫疾病的致病機理提供了一種新的解釋。

這個工作建立起一種新的模型，揭示相分離如何通過控制cGAS與TREX1的相互作用來平衡DNA依賴的免疫激活與抑制，而打破這種平衡可能與自身免疫疾病的發(fā)生直接相關。當然，在細胞與體內進一步研究這種相互作用以及其與疾病的關系在未來很長時間內仍將會是很大的機遇與挑戰(zhàn)。

本文的第一作者周穩(wěn)博士2017年畢業(yè)于中科院植物研究所。2017年至2021年在美國哈佛醫(yī)學院/丹娜–法伯癌癥研究所進行博士后研究。近幾年來，以第一作者在Cell, Molecular Cell, PNAS等雜志發(fā)表多篇論文。2021年4月即將入職南方科技大學生命科學學院擔任課題組PI。周穩(wěn)課題組將利用生物化學、細胞生物學和結構生物學等手段研究天然免疫及相關疾病機理，致力于發(fā)現(xiàn)新的免疫蛋白并闡述其分子機理。因工作需要誠聘博士后、實驗室管理員和技術員。

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制版人：十一

參考文獻

1. Ablasser, A., and Chen, Z.J. (2019). cGAS in action: Expanding roles in immunity and inflammation.Science363, eaat8657.

2. Sun, L., Wu, J., Du, F., Chen, X., and Chen, Z.J. (2013). Cyclic GMP-AMP synthase is a cytosolic DNA sensor that activates the type I interferon pathway.Science339, 786–791.

3. Zhou, W., Whiteley, A.T., de Oliveira Mann, C.C., Morehouse, B.R., Nowak, R.P., Fischer, E.S., Gray, N.S., Mekalanos, J.J., and Kranzusch, P.J. (2018). Structure of the Human cGAS-DNA Complex Reveals Enhanced Control of Immune Surveillance.Cell174, 300–311.e311.

4. Du, M., and Chen, Z.J. (2018). DNA-induced liquid phase condensation of cGAS activates innate immune signaling.Science361, 704–709.

5. Gao, D., Li, T., Li, X.-D., Chen, X., Li, Q.-Z., Wight-Carter, M., and Chen, Z.J. (2015). Activation of cyclic GMP-AMP synthase by self-DNA causes autoimmune diseases.Proceedings of the National Academy of Sciences112, E5699–E5705.

6. Gray, E.E., Treuting, P.M., Woodward, J.J., and Stetson, D.B. (2015). Cutting Edge: cGAS Is Required for Lethal Autoimmune Disease in the Trex1-Deficient Mouse Model of Aicardi-Goutières Syndrome.J. Immunol.195, 1939–1943.

7. Yan, N. (2017). Immune Diseases Associated with TREX1 and STING Dysfunction.J. Interferon Cytokine Res.37, 198–206.

8. Orebaugh, C.D., Fye, J.M., Harvey, S., Hollis, T., Wilkinson, J.C., and Perrino, F.W. (2013). The TREX1 C-terminal region controls cellular localization through ubiquitination.J. Biol. Chem.288, 28881–28892.