有趣的复制叉减速器cGAS

来源：BioArt

cGAS-STING信号通路作为天然免疫系统的一个重要组成部分被发现，其功能是检测胞浆DNA的存在，并在反应中触发炎症基因的表达【1，2】。DNA通常存在于细胞核中，异常在胞浆中定位的DNA与肿瘤的发生或病毒感染有关。环状GMP-AMP合成酶（cyclic GMP-AMP Synthase, cGAS）感知到本不应出现在细胞质的DNA时，会催化cGAMP并激活STING，继而会进一步激活免疫反应。cGAS-STING通路还是衰老和炎症介质释放的重要调控因子【3，4】。所以，胞浆中的cGAS就像一个防盗报警器。细胞核里的cGAS虽然仍然和DNA结合，但是并不有效激活STING介导的免疫反应 【5，6】。cGAS为什么存在在核内？在核内有什么功能？为什么STING在很多肿瘤中被抑制，cGAS不受影响？种种现象说明cGAS可能有STING通路之外的功能，但现在的研究成果还难以解释这些现象。

2020 年 10 月 14 日，哈佛医学院兰利课题组在 Science Advances 杂志在线发表题为 cGAS suppresses genomic instability as a decelerator of replication forks 的文章，阐述了cGAS通过其核内DNA结合调节核内复制叉的稳定和速度，重要的是，这个功能不依赖于STING，从而揭示了cGAS在核内维持基因组稳定的生物学功能。文章的第一作者陈浩，邹力课题组和陈志坚课题组参与了此研究。

该项研究中，研究人员发现cGAS KO的细胞增殖速度明显加快，过表达cGAS则可降低增值速度。且在STING缺失的U2OS细胞中也发现同样的表型，表明此调控通路是STING非依赖性的。为了解cGAS如何促进细胞增殖，通过流式细胞技术发现快速增殖的细胞S期明显增多，进一步通过DNA Fiber Assay实验发现cGAS缺失细胞中复制叉的进程明显加快，但经过HU处理后cGAS缺失细胞IdU的长度减少，表明cGAS的缺失加快了复制叉的进程，但进而导致复制叉的不稳定性。通过RNA-seq分析发现在cGAS缺失细胞中，DNA复制和细胞周期相关基因表达水平显著上调，与快速增殖的表型一致。cGAS缺失细胞的高复制状态仍然激活ATR-CHK1磷酸化的通路，说明细胞处在“高复制压力”，但此通路的激活并未能阻滞细胞的快速增殖，细胞处于基因组不稳定状态，继而导致细胞对放化疗等敏感性明显增加。

作为DNA感受器，cGAS如何调控细胞周期。通过构建突变体发现，Y215E（cGAS不能入核）和K394E（消除cGAS与DNA的结合）不能降低细胞的增殖速率，但K347E（破坏cGAS二聚化，但不影响DNA结合）可与FL（全长）一样降低增殖速率，表明cGAS的入核及DNA结合能力是减缓细胞增殖所必须的。为了解cGAS如果通过结合细胞核中的DNA减慢复制进程，通过蛋白质谱和Proximity Ligation Assay分析发现cGAS在复制叉上与PCNA相关左右，作为一个路障阻碍复制叉的进程。首次确定了cGAS通过充当DNA复制减速器来维持基因组稳定性的生物学功能。

总结来说，cGAS可以以STING非依赖的形式调控细胞的增殖。cGAS的缺失增加了细胞对放化疗的敏感性，有望成为STING缺陷型肿瘤的潜在治疗靶点。cGAS调控细胞周期需要期DNA结合能力。

参考文献

1. J. Kwon, S. F. Bakhoum, The Cytosolic DNA-Sensing cGAS-STING Pathway in Cancer. Cancer Discov 10, 26-39 (2020).

2. B. Guey et al., BAF restricts cGAS on nuclear DNA to prevent innate immune activation. Science 369, 823-828 (2020).

3. A. Ablasser, Z. J. Chen, cGAS in action: Expanding roles in immunity and inflammation. Science 363,  (2019).

4. H. Liu et al., Nuclear cGAS suppresses DNA repair and promotes tumorigenesis. Nature 563, 131-136 (2018).

5. T. Kujirai et al., Structural basis for the inhibition of cGAS by nucleosomes. Science,  (2020).

6. G. R. Pathare et al., Structural mechanism of cGAS inhibition by the nucleosome. Nature,  (2020).