Cell：首次破解人cGAS的三維結構，揭示它為何識別長片段DNA同時忽略短片段DNA

人體是為生存而建造的。人體中的每一個細胞都受到一組免疫蛋白的嚴密保護，而且這些免疫蛋白裝備了幾乎萬無一失的雷達來檢測外來的或受損的DNA。

人細胞中的一個最為關鍵的哨兵是一種被稱作cGAS的「第一響應者」蛋白，它檢測外來的和發生癌變的DNA的存在，並啟動一種信號級聯反應，從而觸發身體防禦。

2012年蛋白cGAS的發現引發了科學探究的風暴，迄今為止，科學家們已針對它發表了500多份研究出版物，但是人cGAS蛋白的結構和關鍵特徵仍然困擾著科學家。

如今，在一項新的研究中，來自美國哈佛醫學院和達納-法伯癌症研究所的研究人員首次鑒定出人cGAS蛋白與其他哺乳動物中的GAS蛋白之間的結構差異和功能差異，並揭示出它在人體中發揮獨特功能的結構基礎。這項研究概述了人cGAS蛋白的結構特徵，這些結構特徵解釋了人cGAS為何和如何識別某些類型的DNA同時忽略其他類型的DNA。相關研究結果發表在2018年7月12日的Cell期刊上，論文標題為「Structure of the Human cGAS–DNA Complex Reveals Enhanced Control of Immune Surveillance」。

圖片來自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.06.010。

論文通信作者、哈佛醫學院/達納-法伯癌症研究所微生物學與免疫生物學助理教授Philip Kranzusch說，「人cGAS的結構和作用機制一直是免疫學和癌症生物學領域中的一個關鍵的缺失部分。我們的研究結果詳細闡述了人cGAS的分子組成和功能，從而彌補了我們的知識中的這個重要的缺口。」

重要的是，這些研究結果能夠為設計適合人cGAS蛋白的獨特結構特徵的小分子藥物提供了信息---這一進展有望改進當前作為抗癌療法正在開發中的精準cGAS調節藥物。

Kranzusch說，「當前正在開發中的幾種有前途的實驗性免疫療法是針對小鼠cGAS的結構而被開發出的，它與人cGAS存在著關鍵的結構差異。我們的發現應該有助於優化這些實驗性療法並促進人們設計出新的療法。這將為結構導向地設計調節這個基礎蛋白活性的藥物鋪平道路。」

Kranzusch團隊的研究結果解釋了人cGAS蛋白的一個獨特特徵---相比於其他動物中的cGAS蛋白，它能夠高度選擇性地檢測某些類型的DNA而且它更不容易被激活。

具體而言，這項研究表明人cGAS攜帶的突變使得它對長片段DNA非常敏感，但是也讓它對短片段DNA「不敏感」。

論文共同第一作者、哈佛醫學院微生物學與免疫生物學系博士後研究員Aaron Whiteley說，「人cGAS是一種高度選擇性的蛋白，它已進化出更強的DNA特異性。我們的實驗揭示出這種能力的基礎。」

在所有哺乳動物中，cGAS都是通過檢測處於錯誤位置的DNA來發揮作用的。在正常條件下，DNA被緊密地包裝在細胞核中並受到保護。DNA沒有理由會在細胞周圍自由移動。當DNA片段確實最終逃離細胞核並進入細胞質中時，這通常表明存在著一些不祥之兆，比如來自細胞內的損傷或來自侵入細胞內的病毒或細菌的外來DNA。

cGAS蛋白通過識別這種處於錯誤位置的DNA而發揮作用。在正常情形下，它在細胞中處於休眠狀態。但是一旦cGAS檢測到DNA存在於細胞核外面，它就突然起作用。它產生另一種化學物質---一種被稱作cGAMP的第二種信使，從而引發一種分子鏈反應，結果就是提醒細胞中的DNA異常存在。在這種信號級聯反應結束時，細胞要麼得到修復，要麼因損壞到無法修復的地步，它就會自我破壞。

但是細胞的健康和完整性取決於cGAS能夠將無害的DNA和外來DNA或在細胞遭受損傷和應激期間釋放出的自身DNA區分開來。

論文共同第一作者、哈佛醫學院/達納-法伯癌症研究所博士後研究員Wen Zhou說，「這是一種很好的平衡行為，可確保免疫系統保持平衡。過度活躍的cGAS能夠引發自身免疫反應或自我攻擊，而未能檢測到外來DNA的cGAS能夠導致腫瘤生長和癌症進展。」

這項新的研究揭示出這種蛋白結構的進化變化，從而允許人cGAS忽略它遇到的一些DNA，同時對它遇到的其他DNA作出反應。

就這項新的研究而言，這些研究人員的研究對象是霍亂弧菌（Vibrio cholerae）。這種細菌會導致霍亂，也是人類最古老的禍害之一。

利用一種與cGAS具有相似性的霍亂弧菌酶，這些研究人員能夠在這種細菌中重建人和小鼠cGAS蛋白的功能。

通過與來自哈佛醫學院細菌學家John Mekalanos實驗室的同事們合作，這些研究人員設計出一種嵌合或雜合形式的cGAS，它包括來自人類和小鼠cGAS的遺傳物質。隨後，他們將這種雜合cGAS識別DNA的能力與完整的人cGAS和小鼠cGAS的識別能力進行比較。

在一系列實驗中，這些研究人員觀察了這些不同類型cGAS之間的激活模式，並逐步縮小導致這三者之間存在不同DNA激活模式的關鍵差異。

這些實驗表明在人類和小鼠cGAS中存在差異的116個氨基酸中，僅兩個氨基酸導致人cGAS的功能變化。確實，人cGAS能夠高精度地識別長片段DNA，但它會忽略了短片段DNA。相反，小鼠cGAS不能區分長片段DNA和短片段DNA。

Whiteley說，「這兩個微小的氨基酸發揮著如此重大的作用。它們讓人cGAS具有高度選擇性，僅對長片段DNA作出反應，同時忽略短片段DNA，這就使得人cGAS更能耐受DNA在細胞質中的存在。」

通過在進化時間尺度上繪製遺傳分歧，這些研究人員確定人類和小鼠cGAS基因在1000萬到1500萬年前的某個時間分開。

負責檢測長片段DNA和耐受短片段DNA的這兩個氨基酸僅在人類和非人靈長類動物（比如大猩猩，黑猩猩和倭黑猩猩）中發現到。

這些研究人員猜測忽略短片段DNA但識別長片段DNA的能力必定會帶來一些進化上的好處。

Kranzusch說，「這可能是一種阻止過度活躍的免疫系統和慢性炎症的方法。或者這可能是通過不識別短片段DNA來降低患上某些人類疾病的風險。」

在最後一組實驗中，這些研究人員解析出人cGAS的活性形式與DNA結合在一起時的原子結構。

為了做到這一點，他們使用了一種被稱作X射線晶體衍射的可視化技術。這種技術能夠基於X射線衍射圖案揭示出蛋白晶體的分子結構。

分析人cGAS「在發揮作用時」的結構揭示出讓它能夠選擇性地結合長片段DNA同時忽略短片段DNA的精確分子變異。

Kranzusch說，「理解是什麼讓人cGAS的結構和功能與其他物種cGAS存在的差異正是這個缺失的部分。如今，我們解析出它的結構，我們真地能夠開始設計適用於人體而不適用於小鼠的藥物。」

參考資料：

Wen Zhou5, Aaron T. Whiteley5, Carina C. de Oliveira Mann et al. Structure of the Human cGAS–DNA Complex Reveals Enhanced Control of Immune Surveillance. Cell, 12 July 2018, 174(2):300–311, doi:10.1016/j.cell.2018.06.026

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