学术动态
赵伟团队揭示多胺代谢通过控制Z-DNA形成调节cGAS活性新机制
作者：赵伟 来源自：中国免疫学会 点击数：13232 发布时间：2023-11-28
2023年11月14日，山东大学赵伟教授团队在《Immunity》杂志发表题为“Polyamine metabolism controls B-to-Z DNA transition to orchestrate DNA sensor cGAS activity”的研究成果。研究揭示了内源性调控B-to-Z DNA转换，以及多胺代谢通过影响细胞内环境调控抗病毒固有免疫的机制。
cGAS是重要的胞浆DNA识别受体，在抗感染及肿瘤免疫中均有重要作用。双链DNA与cGAS结合后，催化GTP和ATP转化为第二信使cGAMP。cGAMP能够激活STING，进而通过募集TBK1启动I型干扰素的表达和炎症反应。因此，精确调节cGAS活性对于有效清除入侵病原体和避免机体的过度活化至关重要。
由于cGAS识别胞浆DNA没有序列依赖性，机体通过多种途径对cGAS活化进行精准调控，包括cGAS的表达、翻译后修饰以及细胞微环境改变等。然而，不同DNA构象是否会影响cGAS的活性仍然未知。B-DNA为右旋构型，结构“光滑”，是生理条件下最常见的DNA形式；cGAS通过其锌指结构与B-DNA骨架结合。Z型DNA（Z-DNA）为左旋构型，DNA骨架呈现“zigzag”排列。Z-DNA的独特构象提示其与cGAS的亲和力可能不同于B-DNA。然而，DNA的B-to-Z转换的生理调节机制以及这种转换是否影响cGAS结合活性尚不清楚。
为了研究细胞内环境对cGAS活性的影响，作者首先将干扰素刺激DNA（ISD）与不同代谢小分子孵育，随后与小鼠腹腔巨噬细胞细胞裂解液反应，发现精胺及亚精胺能够显著抑制ISD诱导的cGAMP生成。随后作者通过免疫共沉淀及EMSA实验明确了精胺及亚精胺能够抑制ISD与cGAS结合。进一步通过免疫荧光、ChIP等实验发现精胺及亚精胺在细胞水平可以诱导Z-DNA生成；同时，ChIP、免疫共沉淀及竞争实验则表明Z-DNA与cGAS的亲和力远低于B-DNA，说明精胺及亚精胺在体内将DNA诱导成为亲和力更低的Z-DNA，从而避免cGAS的过度活化。
作者进一步探究精胺及亚精胺调节cGAS活性的生理相关性，发现精胺及亚精胺浓度在病毒感染后显著下降，且该过程是由亚精胺/精胺N1乙酰转移酶1（SAT1）所调节。SAT1是多胺分解代谢中的限速酶，在病毒感染后表达迅速上升。SAT1可降低细胞中精胺和亚精胺水平，通过抑制胞浆中Z-DNA的积累来增强cGAS活化水平，有效清除病毒。此外，补充精胺或亚精胺、敲除Sat1基因均导致小鼠抗HSV-1病毒能力下降。
综上，该研究发现DNA的两种构象（B-DNA及Z-DNA）与cGAS亲和力不同；内源性代谢小分子精胺和亚精胺及多胺分解代谢关键酶SAT1通过诱导DNA构象转换调节cGAS活性。该研究揭示了一种防止细胞DNA异常识别的机制，并为治疗cGAS活性异常相关疾病提供了治疗靶点。
山东大学赵伟教授为本文的通讯作者。山东大学助理研究员赵春媛、博士生马云瑾为本文的共同第一作者。本研究得到了国家自然科学基金、山东大学攀登计划创新群体、山东大学青年学者未来计划等的资助。
原文链接：https://www.cell.com/immunity/fulltext/S1074-7613(23)00417-X
cGAS是重要的胞浆DNA识别受体，在抗感染及肿瘤免疫中均有重要作用。双链DNA与cGAS结合后，催化GTP和ATP转化为第二信使cGAMP。cGAMP能够激活STING，进而通过募集TBK1启动I型干扰素的表达和炎症反应。因此，精确调节cGAS活性对于有效清除入侵病原体和避免机体的过度活化至关重要。
由于cGAS识别胞浆DNA没有序列依赖性，机体通过多种途径对cGAS活化进行精准调控，包括cGAS的表达、翻译后修饰以及细胞微环境改变等。然而，不同DNA构象是否会影响cGAS的活性仍然未知。B-DNA为右旋构型，结构“光滑”，是生理条件下最常见的DNA形式；cGAS通过其锌指结构与B-DNA骨架结合。Z型DNA（Z-DNA）为左旋构型，DNA骨架呈现“zigzag”排列。Z-DNA的独特构象提示其与cGAS的亲和力可能不同于B-DNA。然而，DNA的B-to-Z转换的生理调节机制以及这种转换是否影响cGAS结合活性尚不清楚。
为了研究细胞内环境对cGAS活性的影响，作者首先将干扰素刺激DNA（ISD）与不同代谢小分子孵育，随后与小鼠腹腔巨噬细胞细胞裂解液反应，发现精胺及亚精胺能够显著抑制ISD诱导的cGAMP生成。随后作者通过免疫共沉淀及EMSA实验明确了精胺及亚精胺能够抑制ISD与cGAS结合。进一步通过免疫荧光、ChIP等实验发现精胺及亚精胺在细胞水平可以诱导Z-DNA生成；同时，ChIP、免疫共沉淀及竞争实验则表明Z-DNA与cGAS的亲和力远低于B-DNA，说明精胺及亚精胺在体内将DNA诱导成为亲和力更低的Z-DNA，从而避免cGAS的过度活化。
作者进一步探究精胺及亚精胺调节cGAS活性的生理相关性，发现精胺及亚精胺浓度在病毒感染后显著下降，且该过程是由亚精胺/精胺N1乙酰转移酶1（SAT1）所调节。SAT1是多胺分解代谢中的限速酶，在病毒感染后表达迅速上升。SAT1可降低细胞中精胺和亚精胺水平，通过抑制胞浆中Z-DNA的积累来增强cGAS活化水平，有效清除病毒。此外，补充精胺或亚精胺、敲除Sat1基因均导致小鼠抗HSV-1病毒能力下降。
综上，该研究发现DNA的两种构象（B-DNA及Z-DNA）与cGAS亲和力不同；内源性代谢小分子精胺和亚精胺及多胺分解代谢关键酶SAT1通过诱导DNA构象转换调节cGAS活性。该研究揭示了一种防止细胞DNA异常识别的机制，并为治疗cGAS活性异常相关疾病提供了治疗靶点。
山东大学赵伟教授为本文的通讯作者。山东大学助理研究员赵春媛、博士生马云瑾为本文的共同第一作者。本研究得到了国家自然科学基金、山东大学攀登计划创新群体、山东大学青年学者未来计划等的资助。
原文链接：https://www.cell.com/immunity/fulltext/S1074-7613(23)00417-X