Cell亮点 | 周稳博士等揭示首个人类cGAS感知细胞质DNA长度特异性的分子机制
责编 | 狄德罗
在复杂的生态环境中，人体细胞需要对外在和内在的胁迫刺激做出快速而准确的响应。其中一个重要的响应过程是我们的免疫系统监控异常的细胞质DNA。正常情况下，细胞内DNA存在于细胞核和线粒体中。但是，外源微生物入侵、基因组不稳定或者线粒体胁迫等情况会导致细胞质DNA的存在。这些细胞质DNA会触发细胞激烈的免疫响应。越来越多的证据表明，这一过程的调控失常与一系列疾病密切相关，包括自身免疫疾病与癌症【1-4】。
细胞质DNA触发免疫信号的关键问题是细胞如何感受细胞质DNA，并引发下游的免疫响应。围绕这一问题，十几年来陆续有十来个潜在的细胞质DNA受体被报道，但遗传学的证据表明，这些潜在的受体在DNA信号中并不关键。直到2012年底，美国西南医学中心的陈志坚(Zhijian J. Chen)课题组鉴定到一个酶，它能直接检测细胞质DNA并激活下游的I型干扰素(Type I interferon)信号【5】。这个蛋白叫Cyclic GMP–AMP synthase (cGAS)。至此，大家对细胞质DNA信号的研究由受体的确定转向cGAS的功能研究。
从2012年底至今，已有超过500篇cGAS相关的研究报道问世。基于cGAS在低等哺乳动物的同源蛋白的结构信息，研究人员已经揭示了cGAS激活的分子机理：通过与DNA直接结合，cGAS的空间构象将发生明显改变，这一改变导致cGAS的酶活口袋打开，从而导致底物ATP和GTP进入酶活口袋，接着cGAS能够环化ATP和GTP生成Cyclic GMP–AMP (cGAMP)，cGAMP作为细胞内的第二信使直接激活下游受体和随后的干扰素信号【6-8】。
对低等哺乳动物cGAS同源蛋白的研究为cGAS的激活提供了很好的分子模型，但却不能解释为什么人类cGAS (hcGAS) 的活性远远低于老鼠cGAS (mcGAS)【5】。另外，编码hcGAS的基因在进化上表现出很强的正向选择【9】。这些现象暗示：cGAS进化出了人类特有的调控模式。2018年7月12日，来自哈佛医学院、丹娜法伯癌症研究所的Kranzusch实验室以长文形式（Article）在Cell上发表了题为 Structure of the Human cGAS-DNA Complex Reveals Enhanced Control of Immune Surveillance 的文章（第一作者为周稳博士），通过解析人类cGAS-DNA复合物的结构揭示了人类cGAS感知细胞质DNA长度特异性的分子机制，并为未来的靶向药物开发提供了结构基础。（点击文末“阅读原文”可下载全文）
为了研究人类特有的cGAS调控模式，研究人员在体外重组了cGAS激活过程。他们发现，hcGAS的催化效率比mcGAS低了大约20倍。hcGAS和mcGAS的同源性只有不到60%，为了找到hcGAS的关键调控位点，研究人员开发了一种高效的遗传学筛选方法，在霍乱弧菌中重组了cGAS信号。他们惊讶地发现，霍乱弧菌能够区分人和老鼠cGAS的活性差异从而导致其不同的生长表型。利用这一表型，研究人员采用嵌合体的方法，通过制造一系列人和老鼠的cGAS嵌合体，最终发现：引入mcGAS中的两个氨基酸到hcGAS中，得到的嵌合体具有几乎与mcGAS等同的活性。这表明这两个氨基酸的进化决定了hcGAS特有的调控模式。
为什么cGAS具有人类特有的调控模式？研究人员联想到，这个领域有一个重要的现象：人类细胞的免疫响应只能被长片段的DNA激活（大于45 bp），但是老鼠细胞可以被短至20 bp的DNA激活。因此，他们猜测，是不是这两个关键氨基酸决定了hcGAS对于DNA长度的特异性？于是，他们分别在hcGAS和mcGAS背景下交换了这两个氨基酸。实验结果表明，这两个氨基酸能够完全颠覆cGAS对于DNA长度的特异性。这就解释了为什么人类细胞只能识别更长片段的DNA。研究人员推测，这可能赋予了人类细胞对于短片段DNA的忍受能力，从而防止免疫系统的过度激活。
cGAS人类特有调控模式的分子机理又是什么？研究人员随后利用生物化学和结构生物学的方法回答了这一问题。截止到目前，还没有hcGAS–DNA复合体的结构报道，所有的cGAS–DNA结构信息全部来自于低等哺乳动物模型。hcGAS–DNA复合体结构难以捕获，很可能是因为hcGAS与DNA的结合能力较弱。而研究人员将上文提到的hcGAS两个关键调控位点突变为mcGAS位点后，hcGAS与短片段DNA的结合能力大大增强。通过重组hcGAS突变体与短片段DNA，他们最终成功获得了第一个hcGAS–DNA复合体的晶体结构。通过分析该结构的信息，研究人员解决了两个问题：
1
hcGAS只识别长片段DNA的分子机理。
hcGAS两个关键位点的突变刚好位于一个特别的DNA结合区域，比对mcGAS模型可发现，该区域对于cGAS识别短片段DNA是必需的，但对长片段DNA识别则没有什么作用——这解释了hcGAS对DNA长度的特异性。
2
cGAS抑制剂的物种特异性。
hcGAS–DNA的结构信息说明，酶活口袋中特定位点的突变导致了针对mcGAS开发的抑制剂不能靶向hcGAS。
总的来说，Kranzusch课题组的这项研究填补了人类特有的cGAS激活与调控机制研究的空缺，并为将来开发靶向cGAS的药物提供了结构基础。
通讯作者简介
Philip Kranzusch博士目前就职于哈佛医学院微生物与免疫系以及丹娜法伯癌症研究所肿瘤免疫与病毒系。他于威斯康星大学麦迪逊分校分子生物学专业获得学士学位（2003-2006），后在哈佛医学院的Sean Whelan教授指导下获得博士学位（2007-2012）。随后，在HHMI-生命科学研究基金的支持下，Philip Kranzusch进入加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna（Crispr-cas9大牛）和James Berger实验室从事博士后阶段的研究（2012-2016）。在此期间，他对cGAS及其产物2′3′ cGAMP进行了相关研究并发现了古老的cGAS-STING信号，从而从进化的角度阐述了人类天然免疫的功能。2016年，Philip Kranzusch博士成为哈佛医学院和丹娜法伯癌症研究所的独立PI。更多关于Kranzusch博士实验室的信息请进入 http://kranzuschlab.med.harvard.edu 查看。
参考文献
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9. Hancks, D.C., Hartley, M.K., Hagan, C., Clark, N.L., and Elde, N.C. (2015). Overlapping Patterns of Rapid Evolution in the Nucleic Acid Sensors cGAS and OAS1 Suggest a Common Mechanism of Pathogen Antagonism and Escape. PLoS Genet 11, e1005203.
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