Immunity︱杨庆凯团队揭示机体利用DNA间距离（凝聚程度）识别危险或非我DNA的机制

撰文︱宋成丽

责编︱王思珍，方以一

编辑︱杨彬薇

感受危险和非我是生命体的核心能力。遗传物质DNA其结构高度保守，但却是重要的免疫原，可强烈激活免疫[1]。相应的，放化疗产生的危险本我DNA是肿瘤免疫中至关重要的危险相关分子模式（Danger-associated molecular pattern，DAMP）[2]，而非我的病毒DNA则是著名的病原相关分子模式（pathogen-associated molecular pattern，PAMP），二者均可通过DNA先天免疫感受器--环状GMP-AMP合成酶（cGAS），激活免疫反应。但cGAS识别危险或非我DNA的机制长期不清。近日，大连医科大学杨庆凯团队在Immunity上发表了题为“Spermine enhances antiviral and anticancer responses by stabilizing DNA binding with the DNA sensor cGAS”的研究。该研究报道了大连医科大学杨庆凯团队发现精胺通过稳定cGAS与DNA结合增强抗肿瘤抗病毒免疫，揭示了机体利用DNA间距离（凝聚程度）识别危险或非我DNA的机制，为改善肿瘤和感染性疾病的综合治疗效果提供了新思路。

先天免疫信号控制后天免疫的激活、维持、耗竭以及记忆等诸多核心过程。例如：肿瘤细胞的杀伤主要依赖杀伤性T细胞。而杀伤性T细胞则是由初始T细胞（naive T cell）经“双信号”激活后产生的--激活初始T细胞不但需要T细胞受体（TCR）与MHC-肽复合物结合作为第一信号，还需APC细胞膜表面的B7等共刺激分子作为第二信号。值得注意的是，先天免疫信号直接控制MHC-肽复合物与共刺激分子，故先天免疫控制后天免疫的激活等诸多过程，在肿瘤免疫中起核心作用。相应的，先天免疫信号失能则是肿瘤免疫逃逸的重要原因。

有趣的是，细胞中含有高浓度的正常本我DNA，而DNA先天免疫感受器cGAS却可精准识别放化疗产生的危险DNA或非我病毒DNA，进而激活免疫。例如：口疮单纯疱疹病毒HSV-1一般是与核膜（而非细胞膜）接触时，才将DNA等衣壳内容物注入到细胞核内；也即在细胞质时病毒DNA被衣壳包裹不裸露（无法激活DNA感受器），仅在细胞核内时病毒DNA才是无衣壳包裹裸露的[3]；而HSV-1病毒DNA长度仅约为人基因组DNA的1/400000，但是cGAS却可在具有海量本我DNA的细胞核内精准识别病毒DNA，进而激活免疫反应。值得注意的是，前人的结构研究已表明，cGAS仅结合DNA磷酸骨架[4]，而磷酸骨架作为DNA基本结构，在生命体间几无差异，故cGAS识别危险或非我DNA的机制一直是悬而未决的重要问题。

杨庆凯团队通过分析前人已发表的cGAS-DNA激活复合物晶体发现：与其它胞内DNA感受器不同，cGAS的激活需要一个cGAS蛋白分子结合二个近乎平行的DNA（而非一个DNA），进而形成cGAS2-DNA2的“梯子”复合体（图1），且二个DNA间最近表面距离仅约为1纳米（DNA直径约为2纳米）[5]。而病毒无论如何突变，始终面临一个无法逾越的挑战：其必须将病毒DNA凝聚入体积极小的衣壳中。值得注意的是，病毒衣壳中的DNA常呈现有序的近乎平行的结构（图1），且DNA间距离也约为1纳米[6]，故杨庆凯团队推测DNA间距离（凝聚程度）可能在cGAS识别危险或非我DNA中起重要作用。

图1、cGAS-DNA复合物、病毒衣壳中DNA以及精胺凝聚的DNA液晶中DNA（蓝色）间距离均约为1纳米。

（图源：Wang L, et al., Immunity. 2023）

DNA表面有大量的负电荷，而“同性相斥，异性相吸”，故DNA本身不会自发地发生相分离进而凝聚。与真核动物不同，病毒没有核小体，且病毒衣壳直径小，而蛋白体积一般较大，所以病毒通常是利用宿主的代谢物小分子来凝聚衣壳内的病毒DNA[7]。相应的，cGAS可能利用其特殊的“梯子”复合体结构，测量DNA间距离（凝聚程度），判断是否为病毒DNA与代谢物的凝聚物，进而识别病毒DNA。据此，杨庆凯团队通过筛选他们前期建立的代谢物库（Nature Chemical Biology. 2020; 16(12): 1394-1402），发现精胺不但可显著凝聚DNA，更能强烈增强DNA激活cGAS的能力。

精胺是一种带有四价正电荷的多胺，可通过桥连带负电的DNA，使DNA平行排列，进而凝聚DNA；而双链RNA（dsRNA）因其大小沟宽度的原因，则不能被精胺所凝聚[8]，所以精胺是一种天然的可区分RNA与DNA的凝结剂。因精胺强大的DNA凝聚能力，故常被病毒用于凝聚病毒衣壳中的DNA。值得注意的是，精胺凝聚的DNA液晶中，DNA间距离也约为1纳米[9]。也即，cGAS-DNA复合物、病毒衣壳中DNA以及精胺凝聚的DNA液晶，这三者的DNA间距离均为1纳米（图1）。其后包括分子模拟在内的系列实验显示精胺可通过桥连DNA，稳定cGAS与DNA结合，进而激活cGAS（图2）。

图2、分子模拟表明精胺通过桥连DNA，稳定cGAS与DNA结合

（图源：Wang L, et al., Immunity. 2023）

值得注意的是，精胺是通过桥连DNA，使DNA平行排列，以凝聚DNA，这就需要DNA相对裸露。而真核动物正常本我DNA（Chromosomal DNA）结合有核小体等众多蛋白，所以不能被精胺凝聚[10]；相反，不论是放化疗产生的危险DNA，还是病毒的非我DNA，则相对裸露，可被精胺所凝聚，进而激活cGAS。这就使得精胺通过相分离凝聚DNA至特定距离（1纳米），成为一种可被免疫系统有效识别的标志，可用于感受危险或非我DNA（图3）。

图3、精胺通过凝聚DNA，辅助cGAS识别危险或非我DNA

（图源：Wang L, et al., Immunity. 2023）

另外，肿瘤细胞中精胺等多胺水平增加，且常见的致癌突变（如Myc）均会提高精胺等多胺水平，而数十年来的大量体外实验（无免疫系统的情况下）表明阻断多胺合成可显著抑制肿瘤细胞生长，所以阻断多胺合成一直被认为是很有潜力的抗肿瘤策略。不幸的是，到目前为止，基于阻断多胺合成的临床抗肿瘤实验均告失败[11]。同时，大规模的流行病学研究显示，精胺等多胺水平的下降伴随着肿瘤发病率与死亡率的升高，提示阻断多胺合成可能抑制了抗肿瘤免疫监视，恶化了肿瘤病程。有鉴于此，杨庆凯团队通过敲除精胺合成酶（SMS），构建了精胺缺陷的小鼠模型，并以此模型揭示了精胺通过cGAS调控抗肿瘤免疫监视的机制，为改善肿瘤综合治疗效果提供了新的干预策略。

文章结论与讨论，启发与展望

综上，本研究发现精胺通过稳定cGAS与DNA结合增强抗肿瘤抗病毒免疫，揭示了机体利用DNA间距离（凝聚程度）识别危险或非我DNA的机制，为改善肿瘤和感染性疾病的综合治疗效果提供了新思路。有趣的是，核小体组蛋白和精胺代谢系统在真核生物中出现较早并相对保守，而cGAS一般被认为在脊椎动物中才出现，且在抗肿瘤抗病毒中起核心作用的干扰素-后天免疫系统也出现较晚。故本研究还提示cGAS可能快速进化出利用DNA间距离（凝聚程度），识别危险或非我DNA的能力。另外，因为病毒无法逾越的一个挑战就是--必须将其遗传物质核酸凝聚入极小的衣壳中，所以机体可能还存在其它未被鉴定出的利用核酸间距离（凝聚程度），识别危险或非我核酸的先天免疫感受器。

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36724787/

本研究经费来自于国家自然科学基金委的资助，杨庆凯团队的王丽娜和李思儒为论文的第一（并列第一）作者，研究过程中得到了中山大学华南肿瘤学国家重点实验室刘强教授等合作者的大力支持。

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参考文献（上下滑动阅读）

[1] Andrea Ablasser and Zhijian J Chen. cGAS in action: Expanding roles in immunity and inflammation. Science. 2019; 3 63(6431): eaat8657.

[2] Giulia Petroni,etal. Immunomodulation by targeted anticancer agents. Cancer Cell. 2021; 39(3): 310-345.

[3] Mark Marsh and Ari Helenius. Virus entry: open sesame. Cell. 2006; 124(4): 729-740.

[4]Xin Li,etal. Cyclic GMP-AMP synthase is activated by double-stranded DNA-induced oligomerization, Immunity. 2013; 39(6):1019-1031.

[5] Liudmila Andreeva,etal. cGAS senses long and HMGB/TFAM-bound U-turn DNA by forming protein-DNA ladders. Nature. 2017; 549(7672): 394-398.

[6] Yun-Tao Liu,etal. Cryo-EM structures of herpes simplex virus type 1 portal vertex and packaged genome. Nature. 2019; 570(7760): 257-261.

[7] W Gibson and B Roizman. Compartmentalization of spermine and spermidine in the herpes simplex virion. Proc Natl Acad Sci U S A. 1971; 68(11): 2818-2821.

[8] Andrea M Katz, et al. Spermine Condenses DNA, but Not RNA Duplexes. Biophys J. 2017; 112(1): 22-30.

[9] E Raspaud,etal. Interhelical spacing in liquid crystalline spermine and spermidine-DNA precipitates. Biophys J. 2005; 88(1): 392-403.

[10] E Raspaud,et al. Spermine-induced aggregation of DNA, nucleosome, and chromatin. Biophys J. 1999; 77(3): 1547-1555.

[11] Frank Madeo,et al. Spermidine in health and disease. Science. 2018; 359(6374): eaan2788.

本文完