Science：揭示在有丝分裂期间阻止酶cGAS激活的两种新机制

2021年3月29日讯/生物谷BIOON/---酶cGAS可检测细胞质中的微生物DNA，以触发先天性免疫反应。cGAS还可感知细胞质中的自身DNA，以促进无菌性炎症和细胞衰老。cGAS以序列无关的方式与双链DNA结合，cGAS与DNA之间的多价相互作用导致它们的液-液相分离，并在产生的液滴中激活cGAS。一旦被激活，cGAS就会催化环GMP-AMP（cGAMP）的合成，cGAMP是激活STING基因的第二信使分子，从而诱导I型干扰素和其他免疫介质表达。矛盾的是，很大一部分cGAS与染色质紧密结合，特别是在有丝分裂期间的核膜破裂时。在有丝分裂过程中，cGAS的活性是如何被调控的，目前还不太清楚。

越来越多的证据显示cGAS存在于细胞的细胞质和细胞核中。在细胞核中，cGAS通过与形成核小体核心的组蛋白结合而与染色质附着在一起；这种相互作用已被证明能抑制染色质DNA对cGAS的激活。然而，目前还不清楚是否存在额外的机制来调节cGAS的活性，特别是在细胞周期转换期间。特别是，当细胞进入有丝分裂时，核膜解体，使细胞质cGAS与染色体混合在一起。在细胞周期的不同阶段，直接测量cGAS的活性和翻译后修饰，可能会揭开cGAS调控的机制，从而更好地理解细胞如何防止染色质DNA无意中激活cGAS，不然这种激活可能导致炎症和自身免疫反应。

在一项新的研究中，来自美国德克萨斯大学西南医学中心的研究人员利用生化测定法，发现人类细胞系中的cGAS活性在有丝分裂过程中被选择性地抑制。相关研究结果近期发表在Science期刊上，论文标题为“Phosphorylation and chromatin tethering prevent cGAS activation during mitosis”。

这些作者进一步发现，当细胞进入有丝分裂时，cGAS在它的无序的、带正电荷的N端被Aurora激酶B和其他激酶高度磷酸化，该N端对DNA结合和液相分离非常重要。模拟N端高度磷酸化的突变破坏了cGAS的活性，而阻断高度磷酸化的突变导致干扰素刺激基因的表达增强。

细胞周期转换过程中cGAS活性的调节。图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abc5386。

这些作者还开发了一种分裂的绿色荧光蛋白（GFP）互补法来检测cGAS的寡聚化。与染色质结合的cGAS不能寡聚化，这阐明了染色质结合如何抑制活细胞中cGAS的活性。他们发现，在染色质结合方面存在缺陷的cGAS突变体被染色质DNA激活的方式依赖于未磷酸化的N端，这突显了cGAS N端在感知染色质DNA中的重要性。

出乎意料的是，cGAS N端的缺失暴露了一个隐秘的线粒体定位序列，该序列将cGAS定位到线粒体基质，在那里，线粒体DNA激活了cGAS。这一结果解释了为什么缺乏N端的cGAS具有组成性活性。

这些研究结果共同揭示了高度磷酸化和染色质结合并行发挥作用，从而在有丝分裂期间抑制cGAS的活性。

由此可见，这项研究给出了直接证据表明cGAS活性在有丝分裂过程中通过两种机制受到抑制：N端高度磷酸化和抑制cGAS寡聚化的染色质结合。这两种机制都会阻止cGAS发生相分离形成液滴，而在液滴中cGAS可以有效地合成cGAMP。这种自动防故障的抑制机制使得cGAS在正常的细胞周期转换过程中保持沉默，从而可能避免产生针对细胞核DNA的自身免疫反应。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Tuo Li et al. Phosphorylation and chromatin tethering prevent cGAS activation during mitosis. Science, 2021, doi:10.1126/science.abc5386.