清華新聞網(wǎng)4月3日電 環(huán)狀GMP-AMP合成酶（cGAS）在cGAS-STING通路中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它是一種DNA傳感器，可與dsDNA結(jié)合，隨后誘導(dǎo)I型干擾素的表達(dá)，因而在先天性免疫反應(yīng)中扮演著重要角色。細(xì)胞內(nèi)cGAS的失調(diào)與一系列疾病密切相關(guān)，針對(duì)cGAS活性調(diào)控機(jī)制的研究有利于開(kāi)發(fā)新的cGAS相分離和活性調(diào)控策略。目前已發(fā)現(xiàn)幾種人類(lèi)和病毒蛋白可增強(qiáng)或抑制cGAS的活性。然而，由于缺乏對(duì)輔助蛋白與cGAS、dsDNA相互作用的定量分析，這些蛋白發(fā)揮調(diào)控時(shí)的分子相互作用邏輯仍不明確。
4月2日，清華大學(xué)生命學(xué)院和北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心陳春來(lái)課題組在《通訊·生物學(xué)》（Communications Biology）雜志發(fā)表題為“基于機(jī)制設(shè)計(jì)的化學(xué)和光誘導(dǎo)cGAS激活方法”（Rational design of chemical- and light-induciblecGASactivation based on mechanistic insights）。研究利用高靈敏度的雙色熒光互相關(guān)光譜（dcFCCS）定量分析方法，系統(tǒng)地檢測(cè)了cGAS、dsDNA和幾種輔助蛋白之間的親和力和相分離能力，在此基礎(chǔ)上揭示了輔助蛋白調(diào)節(jié)cGAS相分離的分子相互作用邏輯，從而指導(dǎo)開(kāi)發(fā)了一種化學(xué)誘導(dǎo)策略和一種光誘導(dǎo)策略，得以可控調(diào)節(jié)試管和活細(xì)胞中的cGAS相分離和免疫信號(hào)。
蛋白G3BP1和PCBP1能夠促進(jìn)cGAS的相分離并增強(qiáng)其活性，而病毒外殼蛋白來(lái)源的蛋白ORF9、ORF52及VP22則具有抑制作用。dcFCCS的定量表征揭示，發(fā)揮抑制作用的輔助蛋白顯著降低了凝集物的水合半徑，提高了相分離臨界濃度；而發(fā)揮促進(jìn)作用的輔助蛋白增大了凝集物的水合半徑，降低了相分離臨界濃度。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，兩類(lèi)蛋白與cGAS親和力存在顯著差異。促進(jìn)蛋白與cGAS和dsDNA均可以發(fā)生較穩(wěn)定的相互作用，從而促進(jìn)三元相分離的發(fā)生，提高低濃度下cGAS的活性；抑制蛋白與dsDNA結(jié)合較強(qiáng)，而與cGAS結(jié)合較弱，因而得以阻礙cGAS與dsDNA的結(jié)合、相分離從而抑制cGAS的激活。
圖1.輔助蛋白調(diào)控cGAS相分離分子機(jī)制
基于研究揭示的分子相互作用邏輯，研究人員提出通過(guò)可控調(diào)節(jié)蛋白與cGAS的相互作用力的強(qiáng)弱實(shí)現(xiàn)對(duì)cGAS相分離和激活的調(diào)節(jié)。化學(xué)小分子雷帕霉素可以誘導(dǎo)蛋白結(jié)構(gòu)域FKBP與FRB的相互作用。基于這一化學(xué)誘導(dǎo)手段，利用雷帕霉素調(diào)控FKBP-抑制蛋白與cGAS-FRB的親和力，使cGAS在2分鐘內(nèi)重新形成液滴狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)，該誘導(dǎo)系統(tǒng)成功在5至15分鐘內(nèi)迅速在活細(xì)胞內(nèi)誘導(dǎo)cGAS相分離，并顯著增強(qiáng)其活性。
圖2.化學(xué)誘導(dǎo)的cGAS相分離調(diào)控
光控誘導(dǎo)往往比化學(xué)誘導(dǎo)具有更高的空間可控性。研究人員利用藍(lán)光照射促使pMag-nMagHigh1二聚化，從而增強(qiáng)nMagHigh1-抑制蛋白與cGAS-pMag的親和力，誘導(dǎo)cGAS快速相分離。在活細(xì)胞中，該光控分子開(kāi)關(guān)可逆地調(diào)控cGAS相分離，藍(lán)光終止后，cGAS凝集體逐漸解離。
圖3.光誘導(dǎo)的cGAS相分離調(diào)控
研究中開(kāi)發(fā)的化學(xué)誘導(dǎo)和光誘導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)分子間相互作用的價(jià)位影響極小，為研究cGAS相分離及其免疫調(diào)控功能提供了高時(shí)空精度的工具。同時(shí)，本研究開(kāi)發(fā)的調(diào)控系統(tǒng)能夠同時(shí)影響cGAS，輔助蛋白以及DNA三者的相分離，為操縱多組分相分離系統(tǒng)的調(diào)控提供指導(dǎo)。
清華大學(xué)生命學(xué)院副教授陳春來(lái)為論文通訊作者，清華大學(xué)生命學(xué)院2020級(jí)博士生湯伊婷為論文第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與香港研究資助局聯(lián)合科研資助基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s42003-025-07892-5
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
