Cell Reports | 蔣爭凡/蘇曉東課題組合作揭示錳離子激活天然免疫關(guān)鍵模式識別受體cGAS的新催化機制
2020年8月18日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院蔣爭凡實驗室與蘇曉東實驗室合作在國際著名學(xué)術(shù)期刊《Cell Reports》上以Research Article形式在線發(fā)表了他們在天然免疫研究領(lǐng)域的最新成果——Mn2+ Directly Activates cGAS and Structural Analysis Suggests Mn2+ Induces A Noncanonical Catalytic Synthesis of 2’3’-cGAMP。
天然免疫通過模式識別受體感知病原體入侵，激活下游反應(yīng)抵抗病原體感染。cGAS是胞質(zhì)DNA受體，雙鏈DNA結(jié)合后，別構(gòu)激活cGAS，以鎂離子（Mg2+）為催化輔因子，以ATP和GTP為底物合成環(huán)二核苷酸第二信使2’3’-cGAMP，進一步激活接頭蛋白STING（MITA/ERIS），最終誘導(dǎo)I-型干擾素等細胞因子產(chǎn)生。此外，cGAS也會被泄露到細胞質(zhì)的自身DNA激活，在抗腫瘤免疫，自身免疫病，細胞損傷及衰老等過程中發(fā)揮重要作用。2018年，蔣爭凡課題組發(fā)表在《Immunity》的工作發(fā)現(xiàn)，錳離子（Mn2+）對宿主感染病毒后cGAS-STING通路的活化有重要作用，病毒感染導(dǎo)致線粒體、高爾基體等細胞器中貯存的Mn2+向胞漿中釋放并累積，進而強烈促進cGAS-STING通路激活，然而，Mn2+激活cGAS-STING通路的具體機制并不清楚。
在本研究中，蔣爭凡課題組首先通過生化實驗發(fā)現(xiàn)，Mn2+可強烈激活原核純化的人cGAS合成2’3’-cGAMP；DNA結(jié)合位點突變的cGAS不再被dsDNA激活，但依然能被Mn2+強烈激活，證明Mn2+可以不依賴DNA直接激活cGAS。有趣的是，DNA激活cGAS時依賴cGAS二聚化，破壞該二聚體界面的cGAS突變體不能被DNA激活，卻依然能被Mn2+激活，進一步證明Mn2+不依賴DNA激活cGAS，并暗示Mn2+激活cGAS的機制與dsDNA激活不同。與此相應(yīng)，cGAS催化三聯(lián)體突變完全不能被DNA+Mg2+激活，卻依然被Mn2+激活。這些結(jié)果證明Mn2+是cGAS激活劑，可直接激活cGAS，進而合成第二信使2’3’-cGAMP。
隨后，蔣爭凡實驗室與蘇曉東實驗室合作，解析了Mn2+激活的小鼠cGAS的三個不同催化狀態(tài)的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)：1）Mn2+-cGAS結(jié)合導(dǎo)致的構(gòu)象變化與dsDNA-cGAS結(jié)合類似，但關(guān)鍵的“activation loop region”在Mn2+-cGAS中呈現(xiàn)獨特的變化；2）Mn2+激活的cGAS合成2’3’-cGAMP的步驟與DNA-Mg2+激活時一致：先產(chǎn)生二核苷酸線性中間體pppG(2’5’)pA，再進行分子內(nèi)環(huán)化形成2’3’-cGAMP；3）然而，Mn2+激活的cGAS，線性中間體與cGAS催化口袋結(jié)合方式與DNA激活的中間體結(jié)合方式相反，提示Mn2+激活的cGAMP合成不需要底物在催化口袋中進行兩次翻轉(zhuǎn)（Flip-over），該結(jié)果可解釋Mn2+激活cGAS時具有更高的cGAMP合成效率；4）更有趣的是，Mn2+激活cGAS中，兩個Mn2+與二核苷酸中間體的5’-三磷酸基團結(jié)合，而不像Mg2+-底物那樣，必需與cGAS催化三聯(lián)體結(jié)合。這就解釋了為什么催化三聯(lián)體突變的cGAS依然能被Mn2+激活，而不被Mg2+激活。在DNA激活cGAS過程中，由于Mg2+-底物作用依賴催化三聯(lián)體，底物必須在第一步反應(yīng)后發(fā)生翻轉(zhuǎn)，才能重新與催化三聯(lián)體相互作用，進而發(fā)生第二步催化。因此，催化三聯(lián)體非依賴的Mn2+結(jié)合也和底物不需要翻轉(zhuǎn)相吻合。
該研究發(fā)現(xiàn)并證明Mn2+是DNA以外的第二個cGAS激活劑，并催化一個不同尋常的cGAMP合成過程。這些發(fā)現(xiàn)拓展了對cGAS功能的認識，為進一步理解cGAS的激活與生理學(xué)功能提供了線索，同時也為設(shè)計新的cGAS激動劑提供了理論基礎(chǔ)。更重要的是，cGAS屬于核苷酸轉(zhuǎn)移酶超家族（NTases），其成員包括DNA polymerase，OAS1，DncV，以及眾多cGAS/DncV-like NTases；在結(jié)構(gòu)上，幾乎所有NTases都有類似的催化核心區(qū)域的三維結(jié)構(gòu)。以往的生化研究發(fā)現(xiàn)，Mn2+代替Mg2+可顯著增加許多NTases的酶活，但具體機制并不清楚；此外，許多cGAS/DncV-like NTases的激活機制與生物學(xué)功能仍未知。因此，該研究為進一步揭示Mn2+的生物學(xué)功能，尤其是對眾多核苷酸轉(zhuǎn)移酶激活與催化機制的研究提供了重要的參考。
生科院2018級博士生趙震、2017級本科生馬知行和2016級博士生王博為論文的共同第一作者，生科院/北大--清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的蔣爭凡教授及生科院的蘇曉東教授為共同通訊作者。生科院已畢業(yè)學(xué)生管玉坤博士幫助了本項研究。本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部國家重點基礎(chǔ)研究項目、北京大學(xué)“細胞增殖與分化”教育部重點實驗室及“北大--清華生命科學(xué)聯(lián)合中心”的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.108053
版權(quán)與免責(zé)聲明：本網(wǎng)頁的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點或證實其真實性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺，不為其版權(quán)負責(zé)。如涉及侵權(quán)，請聯(lián)系我們及時修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com