PNAS | 中国科大高大兴、项晟祺课题组揭示cGAS动态相分离调控酶活的新机制

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2025年1月16日，中国科学技术大学生命科学与医学部/附属第一医院、免疫应答与免疫治疗全国重点实验室高大兴课题组和中国科学技术大学生命科学与医学部无膜细胞器与细胞动力学教育部重点实验室项晟祺课题组，在PNAS杂志上发表了一篇题为《Crucial role of the cGAS N terminus in mediating flowable and functional cGAS–DNA condensate formation via DNA interactions》的研究论文。
该研究主要探讨了cGAS蛋白的相变和酶活性的调控机制，通过综合运用生化、核磁共振（NMR）波谱学和细胞生物学等手段，我们揭示了cGAS的N端无序区（IDR），如何精细调控cGAS的相变凝聚相的材料特性。具体而言，N端无序区的介入增强了相变颗粒的流动性和通透性，这对于维持cGAS的高酶活性至关重要。这一发现不仅增进了我们对cGAS功能机制的理解，也为开发新型免疫调节策略提供了新的视角。
cGAS，作为核酸免疫反应中的核心蛋白之一，扮演着胞质DNA传感器的角色，能够诱导干扰素和炎性因子的产生，参与机体的免疫防御、慢性炎症以及抗肿瘤等过程。cGAS与DNA之间的液液相分离（LLPS）现象，对于其功能的发挥至关重要。cGAS包含两个结构域：N端无序区（IDR）-cGAS

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和催化结构域（cGAS

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）。前人工作已经详尽的研究了cGAS

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的结构，以及它与DNA的3个互作位点的情况。然而，由于N端无序区的构象灵活性和多样性，其功能尚未得到充分的探索和理解。本研究首先发现，全长cGAS和cGAS

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形成的相变聚集具有较强的流动性，通透性好，而cGAS

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形成的则是偏向于固体的凝胶状聚集。这种固态的凝聚相酶活较低，通透性差。此结果说明了N端无序区对于维持cGAS凝聚相正常材料性质和完整活性的重要。面对灵活多变的无序区，本研究借助于NMR技术，特别是可以直接观察凝聚相内部情况的固体核磁（Solid-State NMR）方法，成功揭示了N端无序区中参与DNA结合的氨基酸。尽管N端的序列进化上总体不保守，这些参与DNA相互作用的氨基酸却相对保守，主要包括丝氨酸（Ser）和苏氨酸（Thr）等极性残基，而并非之前认为的正电荷氨基酸。通过进一步的突变实验，我们验证了这些位点对于N端结合DNA以及相变调控中的关键作用。当N端失去DNA结合能力后，cGAS相变趋向于凝胶状，导致酶活显著下降，进而削弱了激活下游信号通路以及抗病毒能力。有趣的是，N端对相变性质的调控并不局限在同一个分子上：通过在凝胶状聚集中加入额外的cGAS

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，可以恢复突变体的液体相变形态和酶活性。此项工作不仅建立了cGAS凝聚体的材料性质与其酶活性之间的关系，而且揭示了cGAS

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调控cGAS相变的机制，并精确鉴定了其中的关键氨基酸位点。在生理和病理条件下，机体本身和病毒蛋白，可能通过N端的共价修饰或切割影响cGAS的活性。这些发现为cGAS N端调控功能研究和靶向于cGAS N端的药物开发奠定了基础，为干预cGAS活性提供了新的潜在靶点。这对于开发新型免疫调节疗法和抗肿瘤治疗策略具有重要意义。



图1 cGAS

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调节cGAS-DNA相变聚集物的材料性质和酶活性的示意图上）当cGAS的N端（cGAS

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）具备与DNA结合的能力时，cGAS与DNA形成的凝聚相呈现液滴状，并有较高的酶活。此时液滴流动性强，且通透性好，使得DNase能够进入并消化其中的DNA，最终导致液滴结构的解体。下）相反，当cGAS

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失去与DNA结合的能力时，cGAS和DNA再形成柔性液滴，而是转变为固体凝胶状聚集物。这种固体形式聚集物对DNase的消化具有抵抗力，并且限制了酶反应的效率，显示出与液滴状态截然不同的生物物理特性。中国科学技术大学高大兴教授和项晟祺教授为文章的通讯作者，博士生蒋折林和石繁为本工作的第一作者。这项工作也得到了多位合作者的帮助，包括中国科学技术大学史朝为教授、李娟博士和安徽医科大学生物医学工程学院医学工程与仪器系钟振声副教授。

原文链接：https://www.pnas.org/doi/epub/10.1073/pnas.2411659122




通讯作者介绍
（按照文章通讯作者顺序）



主要研究兴趣：

1%29深入剖析抗病毒天然免疫机制，研发新型抗病毒药物；
2%29研究天然免疫信号通路在自身炎症中的作用；
3%29筛选天然免疫激动类药物，并以此开发新型肿瘤治疗策略。

代表性论文（%2A通讯作者，#并列作者）：
1.R. Zhao, J. Zhang, J. Ma, Y. Qu, Z. Yang, Z. Yin, F. Li, Z. Dong, Q. Sun, S. Zhu, Z. J. Chen,D. Gao, cGAS-activated endothelial cell-T cell cross-talk initiates tertiary lymphoid structure formation. Sci Immunol 9, eadk2612 %282024%29.

2.Shuo Ru, Sisi Tang, Hui Xu, Jiahao Yin, Yan Guo, Liuping Song, Zhenyu Jin, Danyel Lee, Yi-Hao Chan, Xingyao Chen, Luke Buerer, William Fairbrother, Weidong Jia, Jean-Laurent Casanova, Shen-Ying Zhang,Daxing Gao, Human DBR1 deficiency impairs stress granule-dependent PKR antiviral immunity. Journal Of Experimental Medicine %282024%29.
3.Y.-H. Chan, V. Lundberg, J. Le Pen, J. Yuan, D. Lee, F. Pinci, S. Volpi, K. Nakajima, V. Bondet, S. Åkesson, N. V. Khobrekar, A. Bodansky, L. Du, T. Melander, A.-A. Mariaggi, Y. Seeleuthner, T. S. Saleh, D. Chakravarty, P. Marits, K. Dobbs, S. Vonlanthen, V. Hennings, K. Thörn, D. Rinchai, L. Bizien, M. Chaldebas, A. Sobh, T. Özçelik, S. Keles, S. A. AlKhater, C. Prando, I. Meyts, COVID Human Genetic Effort, M. R. Wilson, J. Rosain, E. Jouanguy, M. Aubart, L. Abel, T. H. Mogensen, Q. Pan-Hammarström,D. Gao, D. Duffy, A. Cobat, S. Berg, L. D. Notarangelo, O. Harschnitz, C. M. Rice, L. Studer, J.-L. Casanova, O. Ekwall, S.-Y. Zhang, SARS-CoV-2 brainstem encephalitis in human inherited DBR1 deficiency. J Exp Med 221, e20231725 %282024%29.
4.D. Gao#, M. J. Ciancanelli, P. Zhang, O. Harschnitz, V. Bondet, M. Hasek, J. Chen, X. Mu, Y. Itan, A. Cobat, V. Sancho-Shimizu, B. Bigio, L. Lorenzo, G. Ciceri, J. McAlpine, E. Anguiano, E. Jouanguy, D. Chaussabel, I. Meyts, M. S. Diamond, L. Abel, S. Hur, G. A. Smith, L. Notarangelo, D. Duffy, L. Studer, J.-L. Casanova, S.-Y. Zhang, TLR3 controls constitutive IFN-β antiviral immunity in human fibroblasts and cortical neurons. Journal of Clinical Investigation 131 %282021%29. %28#corresponding author%29
5.F. G. Lafaille, O. Harschnitz, Y. S. Lee, P. Zhang, M. L. Hasek, G. Kerner, Y. Itan, O. Ewaleifoh, F. Rapaport, T. M. Carlile, M. E. Carter-Timofte, D. Paquet, K. Dobbs, B. Zimmer,D. Gao, M. F. Rojas-Duran, D. Kwart, V. Rattina, M. J. Ciancanelli, J. L. McAlpine, L. Lorenzo, S. Boucherit, F. Rozenberg, R. Halwani, B. Henry, N. Amenzoui, Z. Alsum, L. Marques, J. A. Church, S. Al-Muhsen, M. Tardieu, A. A. Bousfiha, S. R. Paludan, T. H. Mogensen, L. Quintana-Murci, M. Tessier-Lavigne, G. A. Smith, L. D. Notarangelo, L. Studer, W. Gilbert, L. Abel, J. L. Casanova, S. Y. Zhang, Human SNORA31 variations impair cortical neuron-intrinsic immunity to HSV-1 and underlie herpes simplex encephalitis. Nature Medicine 25, 1873–1884 %282019%29.

联系方式：
daxing@ustc.edu.cn

官网链接获取更多信息：
https://biomed.ustc.edu.cn/2019/0225/c31898a570344/page.htm




主要研究兴趣：
实验团队使用以固体核磁为主的多种生物物理方法，研究蛋白质聚合物和蛋白质机器的结构和功能。典型的蛋白质聚合物包括天然条件下的各种结构性纤维、细胞骨架等，也包括病理条件下的淀粉样纤维，以及近年来受到高度重视的生物大分子的相变和相分离体系。同时我们也发展针对此类体系的核磁共振方法。

代表性论文（%2A通讯作者，#并列作者）：
1. Zhang, S.#, J. Li#, Q. Xu#, W. Xia, Y. Tao, C. Shi, D. Li,S. Xiang%2Aand C. Liu%2A%282023%29. "Conformational Dynamics of an α-Synuclein Fibril upon Receptor Binding Revealed by Insensitive Nuclei Enhanced by Polarization Transfer-Based Solid-State Nuclear Magnetic Resonance and Cryo-Electron Microscopy." Journal of the American Chemical Society 145%288%29: 4473-4484.
2.Xiang, S.#%2A, C. Pinto#and M. Baldus%2A%282022%29. "Divide and Conquer: A Tailored Solid-state NMR Approach to Study Large Membrane Protein Complexes." Angewandte Chemie International Edition 61%2833%29: e202203319.
3. Luo, Y.#,S. Xiang#, P. J. Hooikaas, L. van Bezouwen, A. S. Jijumon, C. Janke, F. Förster, A. Akhmanova and M. Baldus%2A%282020%29. Direct observation of dynamic protein interactions involving human microtubules using solid-state NMR spectroscopy.Nature Communications 11%281%29: 18.
4.Xiang SQ#,le Paige UB#, Horn V, Houben K, Baldus M, van Ingen H%2A%282018%29 Site-Specific Studies of Nucleosome Interactions by Solid-State NMR Spectroscopy. Angewandte Chemie International Edition 57: 4571-4575
5.Xiang SQ, Kulminskaya N, Habenstein B, Biernat J, Tepper K, Paulat M, Griesinger C, Becker S, Lange A, Mandelkow E, Linser R%2A%282017%29 A Two-Component Adhesive: Tau Fibrils Arise from a Combination of a Well-Defined Motif and Conformationally Flexible Interactions. Journal of the American Chemical Society 139: 2639-2646

联系方式：
Tel: 0551-63601034
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OrcID:https://orcid.org/0000-0002-6874-492‍5

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