新型DNA識別受體cGAMP合成酶的發(fā)現(xiàn)及其功能

何枝芳 林泳許 張嘉卉 肖義軍*

( 1福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 福州 350108； 2福建師范大學(xué)附屬中學(xué) 福州 350007)

在DNA還沒被證實是遺傳物質(zhì)之前，免疫學(xué)家就認(rèn)為它具有刺激免疫應(yīng)答的作用——當(dāng)病原微生物DNA感染細(xì)胞侵入細(xì)胞質(zhì)時，或者細(xì)胞核或線粒體中的DNA在細(xì)胞損傷的情況下進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)時，都會引起機體的免疫應(yīng)答。但是，當(dāng)時人們對DNA在免疫系統(tǒng)中的作用機制知之甚少。2000年第一個DNA識別受體TLR9的發(fā)現(xiàn)，使DNA識別受體的研究成為免疫學(xué)的研究熱點。2013年DNA識別受體的研究有了新突破——華人科學(xué)家陳志堅發(fā)現(xiàn)了廣譜DNA識別受體cGAMP合成酶(cGAS)。

cGAS的發(fā)現(xiàn)為病毒性和細(xì)菌性感染疾病以及自身免疫疾病的治療提供了新啟示,也為相應(yīng)治療藥物的設(shè)計合成提供了新的思路。

1 DNA識別受體的發(fā)現(xiàn)

2000年Hemmi實驗室發(fā)現(xiàn)了第一個DNA識別受體TLR9。他們在研究中發(fā)現(xiàn)小鼠免疫細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中存在某種蛋白，該蛋白會與富含未甲基化的胞嘧啶核苷酸-鳥嘌呤核苷酸序列(CpG)的DNA結(jié)合，激活小鼠免疫細(xì)胞產(chǎn)生先天性免疫反應(yīng)。為了解該蛋白的結(jié)構(gòu)與功能，研究人員分離純化該蛋白，并通過BLAST搜索基因庫，確定了該蛋白與已知的TLR具有高度相似性。

接著研究人員用該片段設(shè)計探針,從小鼠巨噬細(xì)胞cDNA文庫中找出一條新的全長互補cDNA,將其命名為TLR9[1]。TLR9可識別未甲基化的CpG-DNA分子,發(fā)揮機體抵抗病原微生物的作用。TLR9的發(fā)現(xiàn)首次證實了哺乳動物細(xì)胞中存在DNA識別受體。

TLR9識別受體被發(fā)現(xiàn)之后，科學(xué)家又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其他的DNA識別受體，如DAI、AIM以及RNA PolⅢ等。但這些DNA識別受體只能識別含特定序列的DNA，具有一定的局限性。那么是否存在一種能識別各種DNA的廣譜DNA識別受體呢？

2 cGAS的發(fā)現(xiàn)

2013年美國西南醫(yī)學(xué)研究中心陳志堅實驗室發(fā)現(xiàn)了廣譜DNA識別受體——cGAS。實驗室運用了生化純化和重建策略——首先對細(xì)胞進(jìn)行DNA轉(zhuǎn)染處理，接著破碎該細(xì)胞并對其細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行成分分離，然后將每種成分獨立加到經(jīng)過通透性處理的巨噬細(xì)胞中，最后觀察它們是否會觸發(fā)免疫反應(yīng)。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)有兩種成分會觸發(fā)免疫反應(yīng)，其中一種成分的分子質(zhì)量為675，正好是環(huán)化腺苷酸和環(huán)化鳥苷酸分子質(zhì)量的平均值，因此推測其可能是環(huán)化鳥苷酸-腺苷酸(cGAMP)。

為了證實這一猜想，研究人員將該成分與化學(xué)合成的cGAMP進(jìn)行質(zhì)譜分析對比，結(jié)果證實該成分就是cGAMP。對于另一成分，研究人員通過光譜測定技術(shù)和經(jīng)典的蛋白質(zhì)純化手段發(fā)現(xiàn)，它是一種能催化GMP和AMP形成cGAMP的酶，研究人員將它命名為cGAMP合成酶(cGAS)[2]。

進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)分析表明，cGAS是一種定位于細(xì)胞質(zhì)的蛋白質(zhì)。為探究它的功能，科學(xué)家做了兩個實驗。實驗一：研究人員用干擾RNA的方法抑制小鼠成纖維細(xì)胞的cGAS的表達(dá)，結(jié)果該細(xì)胞對胞質(zhì) DNA 的抗病毒反應(yīng)大大削弱；實驗二：對該細(xì)胞重新高表達(dá)cGAS，結(jié)果該細(xì)胞對胞質(zhì)DNA的抗病毒反應(yīng)增強[3]。這兩個實驗說明cGAS具有識別胞質(zhì)DNA的功能，由此確定cGAS是一種新型的DNA識別受體。隨后，他們還闡明了cGAS識別胞質(zhì)DNA引起先天性免疫反應(yīng)的機制，即在正常情況下，cGAS不具有催化功能，但當(dāng)細(xì)胞質(zhì)中出現(xiàn)DNA時，cGAS會被激活，并將胞質(zhì)DNA中的GMP和AMP催化成cGAMP，接著cGAMP會激活下游免疫通路誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生干擾素，最終引起先天性免疫反應(yīng)。

3 cGAS的廣譜性

那么，cGAS是不是一種廣譜DNA識別受體呢？為了探究cGAS是否具有廣譜性，科學(xué)家分別用A型DNA、B型DNA、Z型DNA、病毒DNA和細(xì)菌DNA感染免疫細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)被感染的細(xì)胞都會發(fā)生先天性免疫反應(yīng)，且堿基對在36bp以上的胞質(zhì)DNA，更易被cGAS所識別。這些研究表明cGAS具有廣譜性。正是由于cGAS具有廣譜性，使得其在抗病毒、抗細(xì)菌和自身免疫疾病中均能發(fā)揮作用。

3.1 cGAS在抗病毒先天性免疫中的作用 cGAS不僅能夠識別進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的病毒還能夠識別進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的逆轉(zhuǎn)錄病毒。因為無論是病毒還是逆轉(zhuǎn)錄病毒感染細(xì)胞，都會導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)出現(xiàn)DNA，只要出現(xiàn)胞質(zhì)DNA就會被cGAS識別并結(jié)合催化產(chǎn)生cGAMP，誘導(dǎo)細(xì)胞分泌干擾素，引起先天性免疫應(yīng)答。所以，cGAS可作為HIV及其他逆轉(zhuǎn)錄病毒的免疫檢測器[4]。

陳志堅實驗室發(fā)現(xiàn)，在人的單核細(xì)胞中，HIV逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑能夠阻斷病毒誘導(dǎo)的干擾素的產(chǎn)生，但是HIV整合酶抑制劑則無此功能，這說明HIV激活先天性免疫反應(yīng)依賴于其逆轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的 DNA。除此之外，在小鼠及人的細(xì)胞中，敲除或降低cGAS的表達(dá)能夠阻斷鼠白血病病毒、艾滋病病毒誘導(dǎo)干擾素及其他細(xì)胞因子的產(chǎn)生。利用質(zhì)譜掃描檢測證實HIV 感染能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生cGAMP，cGAMP的產(chǎn)生依賴于cGAS以及病毒逆轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的 DNA。

由此可以確定，cGAS是逆轉(zhuǎn)錄病毒DNA的受體，在機體抗病毒的先天性免疫應(yīng)答中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

3.2 cGAS在抗細(xì)菌先天性免疫中的作用 cGAS不僅在抗病毒感染過程中發(fā)揮作用，還在抗菌方面起作用。當(dāng)細(xì)菌侵入胞內(nèi)時，會釋放DNA到胞質(zhì)中，此時的胞質(zhì)DNA會被cGAS所識別。例如，結(jié)核桿茵是寄生在巨噬細(xì)胞的胞內(nèi)小體中的寄生菌。它入侵宿主細(xì)胞后會留在胞內(nèi)小體中，但是它的DNA能夠逃離胞內(nèi)小體進(jìn)入胞質(zhì)中。科學(xué)家通過體外實驗(結(jié)核桿菌感染人源單核細(xì)胞系)和體內(nèi)實驗(小鼠肺部感染模型)證明了逃到胞質(zhì)中的結(jié)核桿菌DNA會被cGAS所識別，誘導(dǎo)細(xì)胞分泌干擾素，引起機體的先天性免疫應(yīng)答[5]。

由此可以確定，cGAS也是胞內(nèi)細(xì)菌DNA的識別受體，在機體抗細(xì)菌的先天性免疫反應(yīng)中發(fā)揮著重要的作用。

3.3 cGAS在自身免疫疾病中的作用 自身免疫疾病是指機體針對自身抗原發(fā)生免疫應(yīng)答而導(dǎo)致自身組織損害所引起的疾病，如系統(tǒng)性紅斑狼瘡。有研究發(fā)現(xiàn)自身免疫疾病是由脫氧核糖核酸內(nèi)切酶II(DNaseII)基因發(fā)生突變或缺失，致干擾素過度表達(dá)而引起的。

為探究cGAS是否能識別自身細(xì)胞損傷產(chǎn)生的胞質(zhì)DNA。首先，研究人員敲除小鼠的DNaseII和cGAS基因。實驗結(jié)果顯示：cGAS的缺失能夠使DNaseII和cGAS都缺失的小鼠不發(fā)生自身免疫病。后續(xù)的生理指標(biāo)檢測結(jié)果顯示：cGAS的缺失大幅度降低了小鼠體內(nèi)針對胞質(zhì)DNA的敏感度[6]。此實驗表明cGAS能夠識別自身機體損傷產(chǎn)生的胞質(zhì)DNA。這進(jìn)一步確定cGAS在自身免疫疾病中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

4 結(jié)語

綜上所述，cGAS是一種廣譜的DNA識別受體，不僅可以識別侵染入細(xì)胞外源DNA,而且可以識別自身機體損傷產(chǎn)生的DNA，并激活先天性免疫反應(yīng)。該發(fā)現(xiàn)不僅為病毒性感染疾病和細(xì)菌性感染疾病的治療提供了新思路，還為相關(guān)藥物的設(shè)計合成提供了新的思路。

同時，cGAS的發(fā)現(xiàn)也為自身免疫疾病的治療提供了新靶點：如可以通過開發(fā)出cGAS抑制劑，將人從自身免疫疾病中解脫出來。

(基金項目：福建省自然科學(xué)基金,No.2016J01149；本文第一作者為福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院在讀碩士研究生；*通訊作者)