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。
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。
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与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
