高璞/李栋/邓红雨合作发现病毒调控cGAS-DNA相分离的新机制

日期：2021-05-20　　浏览次数：5818

来源：BioArt

cGAS-STING天然免疫通路可以识别细胞质中异常出现的DNA（病原感染引入的外源DNA或宿主异常释放的内源DNA），并诱导I型干扰素和其他促炎因子的表达【1】。为了应对cGAS-STING通路强大的免疫压力，病原微生物也在与宿主的长期博弈过程中，进化出了多种策略来抑制该通路的活化【2】。但是，对于病原抑制cGAS-STING通路的具体机制，目前仍有大量未知亟待回答。

在cGAS-STING通路的信号转导过程中，除了经典的信号转导形式外（如分子间互作、催化修饰、以及第二信使的合成和扩散等），大分子的多聚和相分离也在其中发挥着至关重要的作用。近年来，国内外多家实验室在STING多聚化【3-6】和cGAS-DNA相分离【7-8】方面作出了多项漂亮工作，极大推进了我们对相分离调控天然免疫的理解。鉴于相分离对cGAS-STING通路活化的重要性，不难推测病原应该会进化出靶向该过程的反制措施。然而，目前还没有发现任何病原蛋白通过干预大分子相分离来抑制cGAS-STING通路。从更为广泛的角度来说，病原微生物对宿主细胞相分离的干预和调控，也鲜有研究报道。

2021年5月19日，中科院生物物理所高璞组/李栋组/邓红雨组合作在Molecular Cell杂志以研究长文形式在线发表题为 Viral tegument proteins restrict cGAS-DNA phase separation to mediate immune evasion 的文章。该工作发现α-和γ-疱疹病毒编码的一类进化遥远但结构相关的间质蛋白，可以通过新颖且保守的机制破坏cGAS-DNA相分离而实现免疫逃逸。

此前的研究报道，γ-疱疹病毒的间质蛋白ORF52【9】和α-疱疹病毒的间质蛋白VP22【10】可以直接作用于cGAS并抑制通路活化，但具体机制并不清楚。本项工作中，研究人员在体外测定了cGAS与多种ORF52/VP22类型间质蛋白的直接结合能力，意外发现它们之间并没有明显互作。另外，由于这类病毒蛋白的DNA亲和力比cGAS弱，而且它们并不抑制细胞质中其他的DNA免疫识别通路，这提示简单的DNA结合竞争也不能解释其功能。鉴于cGAS-DNA相分离在抗病毒反应中的重要性，以及ORF52/VP22的细胞质定位属性，研究人员推测这类病毒蛋白可能通过干预cGAS-DNA相分离来发挥其功能。

研究人员首先通过体外实验证明了ORF52/VP22可以有效破坏cGAS-DNA相分离。随后，在活细胞内利用新型光片显微镜进行小时量级三维高时空分辨成像，同样发现了这种相分离抑制效应。而且，病毒蛋白对cGAS-DNA相分离的抑制效应随其浓度升高和累积时间延长而提升。为了排除过表达的影响，研究人员还在cGAS本底表达水平的细胞中进行了验证，并观察到了类似现象。由于ORF52/VP22在病毒颗粒中高度冗余，研究人员推测病毒颗粒中携带的此类蛋白可能会在感染早期就作用于cGAS-DNA相分离，而后续的成像实验也验证了这种推测。因此，在体外、细胞内、以及病毒感染情况下，ORF52/VP22类型的间质蛋白都能够干预cGAS-DNA相分离。

有趣的是，在破坏cGAS-DNA相分离的过程中，病毒蛋白会逐步抽提cGAS-DNA液滴中的DNA，并与之形成自身的相分离聚集。研究人员进一步通过体外和细胞内的成像实验，确认了ORF52/VP22类型的病毒蛋白可以和DNA形成液-液相分离，而且这种相分离的形成能力显著强于cGAS-DNA。这也表明，蛋白被DNA诱导形成相分离的能力，与蛋白-DNA的亲和力之间并没有直接对应关系。

为了更清晰的了解其机制，研究人员对ORF52/VP22设计了多种突变，并进行了DNA结合、相分离观测、酶活分析、通路活性检测、及病毒感染等多种实验，结果表明：1）病毒蛋白与DNA的相分离聚集，依赖于蛋白-DNA之间的多价互作；2）病毒蛋白中的IDR区域（Intrinsically Disordered Regions），对其自身相分离及其对cGAS-DNA相分离的干预，都至关重要；3）病毒蛋白对cGAS-DNA相分离的抑制，取决于其被DNA诱导形成相分离的能力，而不是其与cGAS的直接互作，也不是其与DNA的亲和力强弱；4）如果病毒蛋白与DNA的相分离能力受到影响，那么其抑制cGAS-DNA相分离以及整个通路的能力也随之受到影响。

综上，此项工作发现了一类在进化距离上非常遥远、但结构上有一定相关性的疱疹病毒间质蛋白，可以通过新颖且保守的机制干预cGAS-DNA相分离，从而实现免疫逃逸。此项工作除了发现一种新颖的病原-宿主互作机制，也拓展了我们对大分子相分离调控复杂性的认识。

生物物理所高璞研究员、李栋研究员和邓红雨研究员为本文的共同通讯作者，博士生徐广军、刘冲和周胜为本文的共同第一作者。生物物理所博士生李权锦和孙盼盼在本工作中作出了重要贡献。中国科技大学的朱书教授也对本工作给予了帮助。

参考文献：

【1】Hopfner, K.P., and Hornung, V. (2020). Molecular mechanisms and cellular functions of cGAS-STING signalling. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 21, 501–521.

【2】Eaglesham, J.B., and Kranzusch, P.J. (2020). Conserved strategies for pathogen evasion of cGAS-STING immunity. Curr. Opin. Immunol. 66, 27–34.

【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, 704–709.

【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, 333–344.

【10】Huang, J., et al. (2018). Herpes Simplex Virus 1 Tegument Protein VP22 Abrogates cGAS/STING-Mediated Antiviral Innate Immunity. J. Virol. 92, e00841–18.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.05.002