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章新政组和许瑞明组合作揭示核小体抑制cGAS激活的调控机制

发布时间:2020年10月14日

  2020年10月13日,《Cell Research》杂志在线发表了中国科学院生物物理研究所章新政组与许瑞明组合作完成的研究论文"Structural basis for nucleosome-mediated inhibition of cGAS activity"。这项工作解析了人源cGAS(cyclic GMP-AMP synthase)与核小体复合物的冷冻电镜结构,揭示了核小体竞争性抑制cGAS酶活性的结构基础和作用机制,阐释了在细胞核内或特定细胞周期中cGAS不会通过结合自身dsDNA而引起自身免疫系统攻击的原因。

  cGAS-STING信号通路是天然免疫系统的重要组成部分,在对抗外源病原体入侵、细胞损伤等过程中发挥着重要作用。cGAS通过识别和结合胞质中的外源dsDNA或细胞损伤产生的自身dsDNA,将底物GTP和ATP催化合成信使小分子cGAMP(cyclic GMP-AMP),cGAMP小分子能够结合并活化STING蛋白,从而激活下游免疫信号通路,介导I型干扰素的产生,引发免疫应答。然而cGAS对DNA的识别没有序列特异性,因此cGAS如何避免被自身正常dsDNA激活是这一研究领域的热点之一。部分研究认为cGAS仅存在于胞质中,但在特定细胞周期如有丝分裂中核膜破裂将会有大量自身DNA被释放出来;其他研究认为细胞核中也有cGAS存在,并且cGAS在染色质区域富集。然而在上述两种情况中,cGAS的酶活性均处于抑制状态。近期有研究表明核小体能够与cGAS结合并抑制dsDNA介导的cGAS激活,然而具体的作用机制尚不清楚。

  章新政课题组与许瑞明课题组就此展开密切合作,进一步验证了核小体能够竞争性与cGAS结合并抑制其酶活性,成功获得了两种人源cGAS与核小体复合物的冷冻电镜结构,分别以1:1和2:2形式结合(图1)。cGAS拥有三个dsDNA结合位点(site A/B/C),并且这三个结合位点均对dsDNA所介导的cGAS激活具有重要作用。在人源cGAS-核小体复合物结构中,研究者发现cGAS以单体形式与核小体结合,其结合位点site B与核小体H2A-H2B的酸性界面之间存在紧密相互作用,结合位点site C中的碱性氨基酸残基则可与相邻核小体的DNA结合。由于空间位阻效应,cGAS的结合位点site A虽然没有直接参与与核小体之间的结合,但这一区域亦不能被DNA靠近结合。因此,核小体与cGAS之间的相互作用充分阻挡了cGAS与DNA之间的识别与结合,破坏了cGAS二聚化,从而将其"绑架"在非激活的单体状态。除此之外,研究者发现cGAS能够与核小体结合形成更为高级形式的寡聚体复合物,并成功获得了以4:3比例结合的cGAS-核小体复合物电子密度图。在这项工作中,研究者通过一系列体外结合实验和酶活性实验,验证了核小体抑制cGAS激活的关键氨基酸残基,以及介导高级形式复合物形成的相互作用区域。

图1. 人源cGAS与核小体复合物的冷冻电镜结构示意图

  中国科学院生物物理研究所章新政研究员和许瑞明研究员为该项工作的共同通讯作者,章新政组副研究员曹端方、许瑞明组博士后韩晓楠和章新政组博士研究生范晓益为共同第一作者。这项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导计划和中科院青年创新促进会的资助和支持。

  文章链接:https://www.nature.com/articles/s41422-020-00422-4

 

(供稿:章新政研究组)

 

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