Mol Cell | 周稳博士等揭示cGAS相分离如何增强免疫响应

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正确识别细胞质DNA对于激活免疫反应至关重要【1】。cGAS (cyclic GMP-AMP synthase) 蛋白是近年来发现的细胞质DNA的主要感受器【2】。结合双链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作为第二信使直接结合下游受体蛋白STING并激活I型干扰素和NF-kB信号，从而引发一系列机体的免疫反应。抑制cGAS-STING信号通路与癌症发生密切相关，相反，过度激活该信号通路则会导致自发免疫疾病。因此，精确控制cGAS-STING信号通路的激活对于正确的免疫应答至关重要。

cGAS的激活需要其直接结合双链DNA并形成cGAS-DNA的蛋白核酸复合体。人类cGAS-DNA复合体的结构阐明了人类cGAS如何以序列非特异的方式结合双链DNA分子，诱导构象改变并激活其酶的活性【3】。除此之外，cGAS信号通路的激活还需要大量的cGAS和DNA分子通过液-液相分离的形式形成类似于液滴状态的凝聚体【4】。但是一个重要的生物学问题是cGAS-DNA相分离如何增强免疫响应还不清楚，是通过直接增加2′3′-cGAMP的合成还是控制其他生物学过程？

在揭示了人类cGAS如何感知DNA长度特异性的分子机理之后 (详见BioArt报道：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)，2021年2月18日，来自哈佛医学院、丹娜–法伯癌症研究所的周稳博士等以长文形式 (Article) 在Molecular Cell上发表了题为 cGAS phase separation inhibits TREX1-mediated DNA degradation and enhances cytosolic DNA sensing 的文章，阐述了为什么DNA引起的免疫反应需要cGAS和DNA发生相分离现象——cGAS相分离通过抑制TREX1核酸酶的活性从而增强免疫响应。TREX1是cGAS-STING免疫信号主要的负调控因子。作为定位于细胞质的DNA外切核酸酶，TREX1通过降解细胞质DNA，从而防止cGAS-STING信号的过度激活【5,6】。研究人员发现cGAS-DNA的相分离抑制了TREX1的核酸酶活性，极大的减缓了TREX1降解DNA的效率，从而保证了在存在TREX1的细胞环境中DNA仍然能够激活cGAS介导的免疫反应。

研究人员首先系统的分析了cGAS相分离对于其自身酶活性的影响。他们意外地发现cGAS的相分离在体外并没有直接调控2′3′-cGAMP的合成。通过纯化一系列cGAS同源蛋白，他们发现cGAS同源蛋白自身的酶活与其相分离能力没有必然关系，比如小鼠cGAS具有最强的酶活性以及最弱的相分离能力，相反，人类cGAS具有最强的相分离能力以及最弱的酶活能力。另外，通过氨基酸突变的方式，研究人员筛选到了一系列cGAS突变体，有些突变体在体外系统能够增加相分离的能力却不影响其本身酶的活性，反之亦然。这些结果表明cGAS相分离对于其自身的酶活是可有可无的，但是，研究人员进一步证实了cGAS的相分离对于细胞内2′3′-cGAMP的合成以及免疫响应是必须的。因此，细胞内与体外结果的不一致暗示cGAS相分离的发生必然通过调控其他生物学过程从而增强免疫反应。

随后研究人员发现cGAS-DNA相分离的关键功能是抵抗DNA外切酶TREX1的活性。在体外重构系统中，TREX1能够高效的降解DNA，但是在诱导cGAS相分离现象后，TREX1的核酸酶活性被极大的抑制。在细胞中，cGAS相分离突变体表现出免疫激活缺陷，而且这种缺陷部分依赖于TREX1，进一步证实了cGAS相分离与TREX1相关。随后科研人员通过体外重构和荧光显微镜技术阐述了cGAS相分离抑制TREX1的分子机理。他们发现cGAS-DNA的相分离具有选择性，相分离的cGAS-DNA复合体能够允许cGAS、DNA和ATP等分子快速进入，但是荧光标记的TREX1分子被阻挡在相分离的液滴之外，形成特殊的外环结构。这些结果表明cGAS-DNA相分离类似于一种特殊的“筛子”，cGAS激活所需要的分子（比如底物ATP和GTP）能正常进入，但是TREX1降解DNA却被阻挡到相分离的液滴之外。

TREX1基因突变是导致自身免疫疾病的常见病因。由于TREX1功能的缺失造成cGAS过度活化从而导致包括Aicardi-Goutières症(AGS)在内的自身免疫疾病【7】。很多TREX1疾病突变直接影响了其核酸酶活性从而导致cGAS信号的过度激活，但是有一些疾病突变并没有直接影响TREX1本身的核酸酶活性，所以这一类突变的致病机理未知【8】。研究人员发现AGS相关的TREX1 E198K突变极大的影响了TREX1与cGAS-DNA相分离复合体的相互作用，该突变体的活性被相分离的cGAS剧烈抑制，并且这种抑制只有在存在cGAS-DNA相分离的情况下发生。因此，cGAS-DNA相分离模型为自身免疫疾病的致病机理提供了一种新的解释。

这个工作建立起一种新的模型，揭示相分离如何通过控制cGAS与TREX1的相互作用来平衡DNA依赖的免疫激活与抑制，而打破这种平衡可能与自身免疫疾病的发生直接相关。当然，在细胞与体内进一步研究这种相互作用以及其与疾病的关系在未来很长时间内仍将会是很大的机遇与挑战。

本文的第一作者周稳博士2017年毕业于中科院植物研究所。2017年至2021年在美国哈佛医学院/丹娜–法伯癌症研究所进行博士后研究。近几年来，以第一作者在Cell, Molecular Cell, PNAS等杂志发表多篇论文。2021年4月即将入职南方科技大学生命科学学院担任课题组PI。周稳课题组将利用生物化学、细胞生物学和结构生物学等手段研究天然免疫及相关疾病机理，致力于发现新的免疫蛋白并阐述其分子机理。因工作需要诚聘博士后、实验室管理员和技术员。

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原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.01.024

制版人：十一

参考文献

1. Ablasser, A., and Chen, Z.J. (2019). cGAS in action: Expanding roles in immunity and inflammation. Science 363, 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. Science 339, 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. Cell 174, 300–311.e311.

4. Du, M., and Chen, Z.J. (2018). DNA-induced liquid phase condensation of cGAS activates innate immune signaling. Science 361, 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 Sciences 112, 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.