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Cell | cGAS与磷酸肌醇相互作用使其定位于质膜并起到区分自身和病毒DNA的作用

      能否区分自身和外来物质对于细胞识别和应答病原体十分关键。对于正常哺乳细胞中,DNA在细胞质中十分稀少。如果细胞面对基因毒性压力或者病毒入侵,细胞中DNA含量则会上升,cGAS作为一种细胞质DNA识别蛋白,从而得以激活,引发下游干扰素和炎症因子的上调。由于cGAS没有跨膜域的存在,因此研究人员大都认为cGAS分布在细胞质中,通过扩散作用发现并结合DNA。本文作者通过系统性研究,指出cGAS与磷酸肌醇(PI(4,5)P2)静电相互作用,使其定位于细胞质膜,从而可以区分自身和病毒DNA。


     首先,作者使用亚细胞分离技术检测各部分中cGAS含量。在加入核酸酶后,cGAS主要位于膜蛋白组分中,若不加核酸酶时,则位于细胞质组分中,表明DNA的存在会导致cGAS分布的改变。作者在细胞中表达C端血球凝集素(HA)连接的cGAS,并使用免疫荧光成像,发现cGAS主要分布在细胞质膜上。

 


      接下来,作者使用缺失突变的方法(Deletion analysis)发现,cGAS的N端区域是重要的膜定位区域。使用免疫荧光成像的方法,可以发现,cGAS ΔN蛋白分布在细胞质和细胞核中,而cGAS N则分布在细胞质膜上。

 


      那么,cGAS是通过什么方式定位于细胞膜上呢?作者将10种脊椎动物的cGAS的N端区域序列对比发现,尽管它们的序列保守性较弱,但是存在一个显著的特点:它们都带有较高的正电荷。该特点与TIRAP和TRAM蛋白类似,它们通过与磷酸肌醇(PIP)的静电相互作用而定位于细胞膜上。因此作者猜测cGAS的定位机制与之类似。首先作者通过将重组的cGAS与各种脂质孵育,使用Far Western Blot技术发现cGAS主要与磷酸肌醇结合,并通过荧光脂质体牵出实验,发现cGAS与磷酸肌醇中PI(4,5)P2的结合能力最强。



      接着,作者通过分析比较,发现64到75位间的两个精氨酸是高度电荷保守,因此作者猜测cGAS与磷酸肌醇的相互作用基于静电作用。为验证该猜想,作者将精氨酸突变成带负电荷的谷氨酸(cGAS R71/75E),荧光结合实验表明突变体与PI(4,5)P2的结合能力显著降低,并且免疫荧光成像发现突变体主要分布在细胞质和细胞核中。

      最后作者探究cGAS定位对于其功能的影响。相对于正常cGAS,表达cGAS ΔN会导致正常状态时下游干扰素IFNB1的表达量明显上升。当使用过氧化氢破坏细胞核DNA、增加基因毒性压力时,cGAS ΔN对此更加敏感。但是,当使用MVA病毒感染时,反而是正常cGAS的反应更加快速。

基于以上发现,作者提出了一个统一的模型:cGAS通过与PI(4,5)P2静电结合定位于细胞质膜上,从而远离自身DNA,避免异常激活。当有外源DNA进入细胞时,cGAS会首先与其结合,激活下游抵御机制,从而实现自身和外源DNA的区分。

 


作者:YS

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