一共5篇CNS論文同時關注cGAS被核小體抑制的分子機理非常罕見，為了保持同步，Nature 的3篇論文調整到與 Science 差不多同時在線。
在先天免疫系統中，cGAS-STING信號傳遞通路不僅參與抗病毒免疫應答，而且與自身免疫性疾病、癌症等密切相關。當有病毒感染、細胞損傷或者腫瘤發生時，會有部分異常DNA定位在細胞質中。環狀GMP-AMP合成酶（cyclic GMP-AMP Synthase, cGAS）在識別這些DNA後會催化GTP和ATP之間發生化學反應並生成小分子環鳥腺苷酸（cyclic GMP-AMP, cGAMP）。cGAMP作為先天免疫系統的第二信使會與內質網膜上的STING分子結合，從而進一步激活蛋白質激酶TBK1和轉錄因子IRF-3。活化的IRF-3進入細胞核誘導I型幹擾素的表達。由於cGAS對雙鏈DNA序列沒有選擇性，細胞如何避免自身基因組DNA對cGAS的激活一直是這個領域備受關注的問題。過去廣泛接受的解釋是cGAS主要分布在細胞質內，接觸不到被核膜保護的基因組DNA，因而不會被自身DNA活化。可是近幾年來有多篇文章報導過cGAS也廣泛存在於細胞核內, 這些發現讓cGAS為什麼不會被基因組DNA所激活再次成為這個領域的研究熱點。
2020年9月9日，美國德克薩斯A & M大學化學系劉文設教授和生物化學與生物物理系李平衛教授團隊在 Nature 期刊上發表文章：The molecular basis of tight nuclear tethering and inactivation of cGAS，揭示了細胞核內cGAS和核小體結合併抑制其催化活性的分子機理。
這項研究工作的主要的發現如下：
1、在西雅圖華盛頓大學Daniel Stetson 教授發現cGAS定位於細胞核內且與染色質結合的基礎上（Volkman et al. eLife, 2019），研究人員通過細胞定位也發現在HeLa細胞和小鼠MEF細胞中約80%的cGAS定位於細胞核內。進一步分析認為，染色質中的核小體可能是cGAS定位於細胞核內的關鍵成分。為了驗證這一猜想，研究人員從HEK 293T細胞中純化出天然狀態下的核小體，並用大腸桿菌表達的組蛋白得到體外重組的核小體， SPR結合實驗證實核小體與cGAS有納摩爾級的強相互作用，cGAS的催化結構域介導它與核小體的結合。
2、cGAS酶活分析發現，cGAS/核小體複合物中的cGAS的活性被抑制，不能催化合成cGAMP。通過控制天然染色質的降解時間，研究人員還得到了寡聚核小體。相比於單個核小體，寡聚核小體同樣可以抑制cGAS的活性。有意思的是，在寡聚核小體/cGAS複合物中加入過量的cGAS，又會有一定量的cGAMP被合成， 研究人員認為是寡聚核小體中的連接處的裸露DNA激活了未與核小體結合的cGAS。
3、為了揭示cGAS被核小體抑制的分子機理，研究人員利用冷凍電子顯微鏡技術 (cryo-EM) 解析了cGAS與重組核小體以及天然核小體的複合物結構（圖 1）。結構分析發現，cGAS與兩種核小體的結合方式相似。高解析度的cGAS/重組核小體複合物（2.96 Å）顯示cGAS的DNA結合位點site B 以及核小體的acidic patch是兩者結合的關鍵區域 （圖1）。由於核小體佔據了cGAS的DNA結合位點site B，且cGAS與核小體的親和力遠強於它與DNA的親和力，從而使cGAS不能被DNA所激活。
4、基於cGAS/核小體複合物結構，研究人員對人源和鼠源cGAS做了一系列突變，並發現了多個不能與核小體結合的cGAS突變體。這些突變體的體外的酶活性大大減弱，可是它們在細胞內卻具有很高的活性，這些突變體很可能被外源DNA或者基因組DNA持續性激活。
圖1：冷凍電鏡獲得的cGAS與核小體複合物的密度圖（左），cGAS與核小體複合物分子結構模型（中）。cGAS與核小體複合物以及cGAS與DNA複合物的結構比對（右）。
總之，本文在分子和細胞層面系統深入地研究了cGAS被核小體抑制的分子機理，系統性地解釋了cGAS不被基因組DNA激活之謎，為激活或抑制自身免疫系統提供了新的思路，對於免疫學領域具有重要意義。
值得一提的是，李平衛教授團隊在cGAS-STING信號通路領域深耕多年，他們在2013年揭示了cGAS被雙鏈DNA激活的分子機理 （Li et al. Immunity, 2013），2019年該研究團隊揭示STING招募和激活TBK1的分子機制（Zhao et al. Nature, 2019）。基於cGAS和DNA複合物結構的研究發現，小鼠cGAS和DNA結合位點的若干突變（R222E和K240E）雖然顯著降低了cGAS與DNA的結合以及cGAS在體外的催化活性，但是這些突變體在細胞內卻有很強的活性，能夠刺激幹擾素的表達, 這一當時無法解釋的現象, 在此次研究中得到很好解釋，這些胺基酸殘基正好參與cGAS和核小體的結合併調節cGAS的體內活性。
據悉，論文的共同第一作者為趙寶玉博士和博士生徐弸彪。共同通訊作者為劉文設教授、李平衛教授。劉文設教授課題組長期從事翻譯後修飾，小分子藥物開發以及噬菌體提呈在多肽庫中的應用。在此研究中，劉文設教授課題組提供了大量高度均一的重組核小體用於結構測定和cGAS親和力測定。李平衛教授，1996年在北京大學化學院獲得博士學位，在西雅圖的哈金森癌症研究中心和加州理工學院從事博士後研究。目前為德克薩斯A&M大學終身教授。
值得一提的是，在同期Nature還在線發表了另外兩篇文章。一篇來自於德國Ludwig-Maximilians-Universität的Karl-Peter Hopfner團隊，題目為Structural basis for sequestration andautoinhibition of cGAS by chromatin；另一篇來自於瑞士洛桑聯邦理工學院Andrea Ablasser和瑞士Friedrich Miescher生物醫學研究所Nicolas H. Thomä團隊，題目為Structural mechanism of cGAS inhibitionby the nucleosome。
另外，在今天，Science 以First Release的形式同時發表了另外兩篇文章。這兩篇文章分別是來自北卡羅來納大學教堂山分校的Qi Zhang與Robert K. McGinty的Structural basis of nucleosome-dependent cGAS inhibition和來自東京大學Hitoshi Kurumizaka與洛克菲勒大學Hironori Funabiki的Structural basis for the inhibition of cGAS by nucleosomes。
一共5篇CNS論文同時關注cGAS被核小體抑制的分子機理非常罕見，為了保持同步，Nature 的3篇論文調整到與 Science 差不多同時在線。
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2749-z
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2750-6
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2748-0
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/09/09/science.abd0237
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/09/09/science.abd0609
本文來源：BioArt
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