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專家點評Mol Cell | 高璞/李棟/鄧紅雨合作發現病毒調控cGAS-DNA相分離的新機制

2021-05-24

  cGAS-STING天然免疫通路可以識別細胞質中異常出現的DNA(病原感染引入的外源DNA或宿主異常釋放的內源DNA),并誘導I型干擾素和其他促炎因子的表達[1]。為了應對cGAS-STING通路強大的免疫壓力,病原微生物也在與宿主的長期博弈過程中,進化出了多種策略來抑制該通路的活化[2]。但是,對于病原抑制cGAS-STING通路的具體機制,目前仍有大量未知亟待回答。 

  cGAS-STING通路的信號轉導過程中,除了經典的信號轉導形式外(如分子間互作、催化修飾、以及第二信使的合成和擴散等),大分子的多聚和相分離也在其中發揮著至關重要的作用。近年來,國內外多家實驗室在STING多聚化[3-6]cGAS-DNA相分離[7-8]方面作出了多項漂亮工作,極大推進了我們對相分離調控天然免疫的理解。鑒于相分離對cGAS-STING通路活化的重要性,不難推測病原應該會進化出靶向該過程的反制措施。然而,目前還沒有發現任何病原蛋白通過干預大分子相分離來抑制cGAS-STING通路。從更為廣泛的角度來說,病原微生物對宿主細胞相分離的干預和調控,也鮮有研究報道。 

  2021519日,中科院生物物理所高璞組/李棟組/鄧紅雨組合作在Molecular Cell雜志以研究長文形式在線發表題為 Viral tegument proteins restrict cGAS-DNA phase separation to mediate immune evasion 的文章。該工作發現α-和γ-皰疹病毒編碼的一類進化遙遠但結構相關的間質蛋白,可以通過新穎且保守的機制破壞cGAS-DNA相分離而實現免疫逃逸。 

    

  此前的研究報道,γ-皰疹病毒的間質蛋白ORF52[9]和α-皰疹病毒的間質蛋白VP22[10]可以直接作用于cGAS并抑制通路活化,但具體機制并不清楚。本項工作中,研究人員在體外測定了cGAS與多種ORF52/VP22類型間質蛋白的直接結合能力,意外發現它們之間并沒有明顯互作。另外,由于這類病毒蛋白的DNA親和力比cGAS弱,而且它們并不抑制細胞質中其他的DNA免疫識別通路,這提示簡單的DNA結合競爭也不能解釋其功能。鑒于cGAS-DNA相分離在抗病毒反應中的重要性,以及ORF52/VP22的細胞質定位屬性,研究人員推測這類病毒蛋白可能通過干預cGAS-DNA相分離來發揮其功能。 

  研究人員首先通過體外實驗證明了ORF52/VP22可以有效破壞cGAS-DNA相分離。隨后,在活細胞內利用新型光片顯微鏡進行小時量級三維高時空分辨成像,同樣發現了這種相分離抑制效應。而且,病毒蛋白對cGAS-DNA相分離的抑制效應隨其濃度升高和累積時間延長而提升。為了排除過表達的影響,研究人員還在cGAS本底表達水平的細胞中進行了驗證,并觀察到了類似現象。由于ORF52/VP22在病毒顆粒中高度冗余,研究人員推測病毒顆粒中攜帶的此類蛋白可能會在感染早期就作用于cGAS-DNA相分離,而后續的成像實驗也驗證了這種推測。因此,在體外、細胞內、以及病毒感染情況下,ORF52/VP22類型的間質蛋白都能夠干預cGAS-DNA相分離。 

  有趣的是,在破壞cGAS-DNA相分離的過程中,病毒蛋白會逐步抽提cGAS-DNA液滴中的DNA,并與之形成自身的相分離聚集。研究人員進一步通過體外和細胞內的成像實驗,確認了ORF52/VP22類型的病毒蛋白可以和DNA形成液-液相分離,而且這種相分離的形成能力顯著強于cGAS-DNA。這也表明,蛋白被DNA誘導形成相分離的能力,與蛋白-DNA的親和力之間并沒有直接對應關系。 

  為了更清晰的了解其機制,研究人員對ORF52/VP22設計了多種突變,并進行了DNA結合、相分離觀測、酶活分析、通路活性檢測、及病毒感染等多種實驗,結果表明:1)病毒蛋白與DNA的相分離聚集,依賴于蛋白-DNA之間的多價互作;2)病毒蛋白中的IDR區域(Intrinsically Disordered Regions),對其自身相分離及其對cGAS-DNA相分離的干預,都至關重要;3)病毒蛋白對cGAS-DNA相分離的抑制,取決于其被DNA誘導形成相分離的能力,而不是其與cGAS的直接互作,也不是其與DNA的親和力強弱;4)如果病毒蛋白與DNA的相分離能力受到影響,那么其抑制cGAS-DNA相分離以及整個通路的能力也隨之受到影響。 

  綜上,此項工作發現了一類在進化距離上非常遙遠、但結構上有一定相關性的皰疹病毒間質蛋白,可以通過新穎且保守的機制干預cGAS-DNA相分離,從而實現免疫逃逸。此項工作除了發現一種新穎的病原-宿主互作機制,也拓展了我們對大分子相分離調控復雜性的認識。 

    

  生物物理所高璞研究員、李棟研究員和鄧紅雨研究員為本文的共同通訊作者,博士生徐廣軍劉沖周勝為本文的共同第一作者。生物物理所博士生李權錦孫盼盼在本工作中作出了重要貢獻。中國科技大學的朱書教授也對本工作給予了幫助。 

  

   (來源:BioArt 

  參考文獻: 

  [1] Hopfner, K.P., and Hornung, V. (2020). Molecular mechanisms and cellular functions of cGAS-STING signalling. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 21, 501521. 

  [2] Eaglesham, J.B., and Kranzusch, P.J. (2020). Conserved strategies for pathogen evasion of cGAS-STING immunity. Curr. Opin. Immunol. 66, 2734. 

  [3] Shang, G., et al. (2019). Cryo-EM structures of STING reveal its mechanism of activation by cyclic GMP-AMP. Nature. 567, 389-393. 

  [4] Zhang, C., et al. (2019). Structural basis of STING binding with and phosphorylation by TBK1.Nature. 567, 394-398. 

  [5] Fang, R., et al. (2021). Golgi apparatus-synthesized sulfated glycosaminoglycans mediate polymerization and activation of the cGAMP sensor STING. Immunity. 5, 962-975. 

  [6] Yu, X., et al. (2021). The STING phase-separator suppresses innate immune signaling. Nat. Cell Biol.23, 330-340. 

  [7] Du, M., and Chen, Z.J. (2018). DNA-induced liquid phase condensation of cGAS activates innate immune signaling. Science. 361, 704709. 

  [8] Zhou, W., et al. (2021). cGAS phase separation inhibits TREX1-mediated DNA degradation and enhances cytosolic DNA sensing. Mol. Cell. 81, 739-755. 

  [9] Wu, J.J., et al. (2015). Inhibition of cGAS DNA Sensing by a Herpesvirus Virion Protein. Cell Host & Microbe. 18, 333344. 

  [10] Huang, J., et al. (2018). Herpes Simplex Virus 1 Tegument Protein VP22 Abrogates cGAS/STING-Mediated Antiviral Innate Immunity. J. Virol. 92, e0084118. 

  鏈接:https://mp.weixin.qq.com/s/ITq-vSFjjsOtfVqB1CxHHw 

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