陈志坚团队再发Nature

cGAS是一种进化上保守的酶，在免疫防御感染中起着关键作用。在脊椎动物中，cGAS被DNA激活产生环状GMP-AMP (cGAMP)，从而导致抗菌基因的表达。在细菌中，基于环二核苷酸(CDN)的抗噬菌体信号系统(CBASS)已经被发现。这些系统由cGAS类似酶和各种效应蛋白组成，在噬菌体感染时杀死细菌，从而阻止噬菌体传播。在报道的CBASS体系中，约39%含有Cap2和Cap3，它们分别编码与泛素偶联酶(E1/E2)和解聚酶(DUB)同源的蛋白质。虽然这些蛋白质是防止某些噬菌体感染所必需的，但酶活性发挥抗噬菌体作用的机制尚不清楚。

2023年2月27日，德克萨斯大学西南医学中心陈志坚团队在Nature 在线发表题为”Ubiquitin-like Conjugation by Bacterial cGAS Enhances Anti-phage Defence“的研究论文，该研究发现Cap2与cGAS的c端甘氨酸形成一个硫酯键，并促进cGAS与靶蛋白的偶联，这一过程类似于泛素偶联。cGAS的共价偶联增加了cGAMP的生成。

通过基因筛选，该研究发现噬菌体蛋白Vs.4通过与cGAMP (Kd ~30 nM)紧密结合并隔离其拮抗cGAS信号。Vs.4与cGAMP结合的晶体结构表明，Vs.4形成了与三个cGAMP分子结合的六聚体。这些结果揭示了一种泛素样偶联机制，调节细菌中的cGAS活性，并通过控制CDN水平说明了细菌和病毒之间的”军备“竞赛。

另外，2019年3月6日，德克萨斯大学西南医学中心陈志坚，白晓晨及张学武共同通讯在Nature 在线发表题为“Structural basis of STING binding with and phosphorylation by TBK1”的研究论文，该论文揭示STING与TBK1结合的结构基础，以及STING磷酸化的机制。该研究提出了一种模型，其中STINGG的cGAMP诱导的高级寡聚化提供了用于募集和激活TBK1的信号传导平台。在STING寡聚体中，一些C末端尾部募集TBK1，其使邻近的STING分子的尾部磷酸化。STING中的磷酸化363LXIS366基序构成IRF3结合基序，其通过TBK1募集IRF3用于磷酸化。 STING的磷酸化尾部可同时与TBK1和IRF3结合，从而将IRF3递送至TBK1以进行磷酸化;

2019年3月6日，德克萨斯大学西南医学中心陈志坚在Nature 在线发表题为“Autophagy induction via STING trafficking is a primordial function of the cGAS pathway”的研究论文,该论文揭示STING还通过独立于TBK1激活和干扰素诱导的机制激活自噬。在结合cGAMP后，STING在依赖于COP-II复合物和ARF GTP酶的过程中易位至内质网 - 高尔基体中间隔室（ERGIC）和高尔基体。因此，自噬诱导是cGAS-STING途径的古老且高度保守的功能，其早于脊椎动物中I型干扰素途径的出现；

2019年3月6日，德克萨斯大学西南医学中心陈志坚，白晓晨及张学武共同通讯在Nature在线发表题为“Cryo-EM structures of STING reveal its mechanism of activation by cyclic GMP–AMP”的研究论文，该论文得到了人类和鸡的全长STING，处于无活性的二聚体状态（大小约80kDa），以及二聚体和四聚体状态的cGAMP结合鸡源STING冷冻电子显微镜结构。这对于进一步了解STING信号转导有积极的意义。

先天免疫是抵抗诸如病毒和细菌等传染性微生物的前线防御。最近发现的一种先天免疫途径是通过胞浆中病毒或细菌DNA与DNA感应器环状鸟苷单磷酸（GMP）-腺苷单磷酸（AMP）（cGAMP）合酶（cGAS）的结合而启动的。DNA激活的cGAS使用ATP和三磷酸鸟苷（GTP）作为底物来生成第二个信使cGAMP，其结合并激活干扰素（IFN）基因（STING）（也称为MITA，ERIS和MPYS）的刺激物。活化的STING会募集TANK结合激酶1（TBK1），后者会磷酸化STING，然后磷酸化转录因子IFN调节因子3（IRF3）。磷酸化的IRF3会二聚化并转移到细胞核中，并与核因子κB（NF-κB）一起起作用，后者也是由STING激活的，可开启I型IFN和炎性细胞因子的表达，从而导致抗病毒免疫反应。

cGAS-cGAMP-STING途径是介导针对多种类型病原体的免疫防御的主要途径，这些病原体在其生命周期中包含DNA或生成DNA。这些包括DNA病毒，逆转录病毒，细菌和寄生虫。cGAS或STING功能的丧失导致针对这些病原体的免疫防御的严重缺陷。但是，cGAS途径的作用不仅限于抗菌防御，因为cGAS可以被任何双链DNA以不依赖序列的方式激活。这样，cGAS可以被自身DNA激活，包括基因组和线粒体DNA。

生物信息学分析已经确定了2000多个CBASS操纵子，它们包含两个辅助基因Cap2和Cap3，分别编码具有泛素(Ub)偶联酶域和解聚酶域的蛋白质。Cap2编码一个E1泛素激活酶结构域和一个E2泛素载体结构域。Cap3含有一个JAB去泛素酶(DUB)结构域。目前还没有发现E3样泛素连接酶或Ub样蛋白在细菌免疫防御系统中起作用。

文章模式图（图源自Nature ）

该研究发现Cap2与cGAS的c端甘氨酸形成一个硫酯键，并促进cGAS与靶蛋白的偶联，这一过程类似于泛素偶联。cGAS的共价偶联增加了cGAMP的生成。

通过基因筛选，该研究发现噬菌体蛋白Vs.4通过与cGAMP (Kd ~30 nM)紧密结合并隔离其拮抗cGAS信号。Vs.4与cGAMP结合的晶体结构表明，Vs.4形成了与三个cGAMP分子结合的六聚体。总之，这些结果揭示了一种泛素样偶联机制，调节细菌中的cGAS活性，并通过控制CDN水平说明了细菌和病毒之间的”军备“竞赛。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05862-7

转自：“iNature”微信公众号

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