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Science | 陈志坚团队揭示cGAS活性被选择性抑制的机理

cGAS可检测细胞质中DNA,感知微生物病原体的入侵。一旦与双链DNA结合,cGAS合成第二信使cGAMP。cGAMP结合并激活内质网定位的适配体蛋白STING,cGAMP结合的STING激活TBK1和IRF3,同时STING与IRF3协同激活NF- κB,诱导I型干扰素和其他炎性细胞因子的产生,控制并消除感染。cGAS被DNA激活并不具有序列特异性,细胞质中过量的自身DNA积累可激活cGAS促进自身炎症性疾病和细胞衰老。


越来越多的数据显示,有丝分裂期间,核膜破裂,cGAS与染色质紧密相关【1】。但是,染色质相关cGAS如何被调控,目前尚不清楚。生化研究显示,核小体通过将cGAS联结在组蛋白的酸性斑块上,抑制cGAS活性【2】。将cGAS与核小体结合的位点进行突变,则恢复cGAS活性,表明核小体联结可阻止cGAS感知自身DNA。但是,核小体仅在连接体DNA存在的情况下,部分抑制cGAS活性【3】,这表明存在其他的机制抑制cGAS活性。而当有丝分裂打破核质屏障时,核小体联结是否足以克服细胞质中cGAS的影响,目前尚不清楚。


近日,来自德克萨斯大学西南医学中心的陈志坚课题组在Science杂志发表文章 Phosphorylation and chromatin tethering prevent cGAS activation during mitosis,发现有丝分裂期间,cGAS活性被选择性抑制,同时揭示出两种并行的cGAS被抑制的机制:1)cGAS的N端被有丝分裂激酶(包括Aurora激酶B)过度磷酸化。cGAS的N端对感知核染色质至关重要,而对感知线粒体DNA是非必需的。过度磷酸化可阻断cGAS对染色质的感知。2)染色质结合cGAS的寡聚化被抑制,而这对于其激活是必需的。即有丝分裂过程中,这些机制保证染色质相关的cGAS是失活状态,有利于阻止自身免疫反应。


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研究人员首先将细胞进行周期同步化,发现细胞周期的不同阶段都检测不到内源性cGAMP,提示即使染色质相关cGAS也处于未激活状态。利用外源DNA进行刺激,发现G1/S、S期、未同步细胞的cGAS都能产生高水平的cGAMP,而G2/M、M期细胞的cGAS不能被外源DNA激活。分析cGAS分布,发现不管细胞周期如何,大多数cGAS是核定位,或与染色质有关。外源DNA能激活非同步化细胞的核cGAS,但不能激活有丝分裂细胞的cGAS。即,当cGAS与有丝分裂染色质结合时,cGAS是失活的,并且有丝分裂细胞中染色质结合的cGAS不能被外源DNA激活。


那么,有丝分裂期间,cGAS处于失活状态的调节机制是什么?研究发现,细胞周期的有丝分裂阶段,cGAS被磷酸化。磷酸化位点有位于N端的Ser13、Ser37、Ser64、Thr69、Thr91、Ser116、Ser129和Ser143,以及位于催化结构域的Ser305。与非同步化细胞相比,有丝分裂细胞中N-末端丝氨酸和苏氨酸残基的磷酸化显著增加, Ser305的磷酸化(可抑制cGAS活性)没有改变。将N端的丝氨酸和苏氨酸残基都进行突变模拟磷酸化状态(cGAS20DE),可显著抑制cGAS的活性,而将其突变成丙氨酸(cGAS20A则活性与野生型(cGASWT相似。cGAS20A和cGASWT蛋白可与DNA相分离形成液滴,并催化cGAMP的合成,而cGAS20DE不行,即cGAS N末端的过度磷酸化抑制其活性。cGAS磷酸化的动力学与组蛋白H3S10磷酸化极为相关,而组蛋白H3S10是Aurora激酶B(AurB)的已知靶点,研究发现AurB可磷酸化cGAS的Ser13和Ser64位点。


细胞周期停留在有丝分裂期,cGAS20A产生的cGMAP显著高于cGASWT,表明存在其他的机制来抑制有丝分裂过程的cGAS活性。近期的研究表明,快速分裂的细胞中,cGAS与染色质密切相关,核小体通过H2A-H2B的酸性斑块与cGAS结合。研究发现即使没有外源DNA,突变cGAS中与染色质结合的位点导致cGAS在非同步细胞中处于活化状态,而纯化的蛋白处于非活化状态,即细胞中染色质DNA可激活这些cGAS突变体。利用分裂GFP荧光报告系统,发现染色质结合的cGAS不能寡聚化,而细胞质的微核中cGAS可以进行寡聚化。进一步研究发现,N末端是cGAS感知染色质DNA的关键,这种感知可被有丝分裂的过度磷酸化所阻断。缺失N末端导致cGAS- ΔN组成性激活,cGAS- ΔN的N端具有线粒体靶向序列,将cGAS传递到线粒体,导致线粒体DNA(mtDNA)激活cGAS。


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总的来说,研究发现了有丝分裂期间cGAS处于失活状态,并揭示了两种同时存在的机制,为理解cGAS激活提供了新的视角。


值得一提的是,武汉大学舒红兵院士团队于2020年4月在Cell Discovery杂志上发表的相关的研究工作【4】,总体结论(cGAS在有丝分裂期间被高度磷酸化,受CDK1的调控,活性受到抑制)与上述Science基本一致,而关于cGAS活性受核小体调控的相关机制此前有5篇CNS在同一时间被报道,此外还有一篇生物物理所章新政许瑞明合作团队的工作,稍晚些时候发表在Cell Research杂志。


原文链接:

https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abc5386



参考文献


1.H. Yang, H. Wang, J. Ren, Q. Chen, Z. J. Chen, cGAS is essential for cellular senescence. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 114, E4612–E4620 (2017).
2. C. Zierhut, N. Yamaguchi, M. Paredes, J.-D. Luo, T. Carroll, H. Funabiki, The cytoplasmic DNA sensor cGAS promotes mitotic cell death. Cell 178, 302–315.e23 (2019).
3. G. R. Pathare, A. Decout, S. Glück, S. Cavadini, K. Makasheva, R. Hovius, G. Kempf, J. Weiss, Z. Kozicka, B. Guey, P. Melenec, B. Fierz, N. H. Thomä, A. Ablasser, Structural mechanism of cGAS inhibition by the nucleosome. Nature 587, 668– 672 (2020).
4. Zhong, L., Hu, M. M., Bian, L. J., Liu, Y., Chen, Q., & Shu, H. B. (2020). Phosphorylation of cGAS by CDK1 impairs self-DNA sensing in mitosis. Cell discovery, 6(1), 1-12.
文章来源:bioart


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