Nat Commun | 周稳团队揭示人类TREX1降解DNA和疾病相关突变致病机理

来自于细菌、病毒以及肿瘤的DNA能够作为一类危险信号分子激活机体免疫响应 【1】 。cGAS （cyclic GMP-AMP synthase） 蛋白是近年来发现的感受这类DNA免疫信号的主要受体 【2】 。正确识别DNA免疫信号对于快速激活免疫反应至关重要。相反，过度激活该信号则是导致自身免疫性疾病的重要诱因。因此，精确控制cGAS信号通路的激活对于维持机体免疫平衡至关重要。

维持cGAS信号免疫平衡的关键分子为TREX1 （Three-prime repair exonuclease 1） 蛋白。作为哺乳动物细胞内主要的核酸外切酶，TREX1能够降解DNA从而防止cGAS信号的过度活化 【3】 。遗传突变导致的TREX1功能失调会导致包括Aicardi-Goutières 综合征、家族性红斑狼疮及视网膜血管病变等在内的多种自身免疫性疾病。目前，针对小鼠TREX1蛋白的生化和结构研究为TREX1降解DNA以及潜在的自身免疫性疾病致病机制提供了很好的模型。但是，与人类TREX1蛋白相比，小鼠TREX1核酸酶核心结构域中超过50个氨基酸的差异极大地限制了人们对于人类TREX1工作机理以及致病机制的理解，也阻碍了基于TREX1靶点的药物开发。

在揭示人类cGAS如何感知DNA长度特异性的分子机理 【4】 （Cell 2018; BioArt: Cell亮点 | 周稳博士等揭示首个人类cGAS感知细胞质DNA长度特异性的分子机制） ，cGAS-DNA相分离调控TREX1活性 【5】 （Molecular Cell 2021; BioArt: Mol Cell | 周稳博士等揭示cGAS相分离如何增强免疫响应） 之后，2022年7月25日，南方科技大学周稳团队和合作者以长文形式 （Article） 在Nature Communications上发表题为 Structural basis of human TREX1 DNA degradation and autoimmune disease  的文章， 通过解析首个人类TREX1和人类TREX1-DNA复合体的晶体结构，阐述了人类TREX1如何降解DNA分子，发现了人类TREX1特有的调控元件，并为TREX1疾病相关突变的致病机理提供了生化和结构解释。

研究人员首先发现人类和小鼠TREX1蛋白在体外热稳定性方面存在较大差异，并以此为表型筛选了一系列人类/小鼠TREX1蛋白嵌合体。通过多轮的筛选，最终找到了决定TREX1热稳定性差异的两个氨基酸 （F17/M19） 。有意思的是，这两个氨基酸只存在于灵长类动物中，在其他哺乳动物中均为L17/L19。这表明了决定热稳定性氨基酸位点的进化与TREX1功能的进化息息相关。更为重要的是，在筛选热稳定突变体以及不同DNA底物的过程中，研究人员发现了能够生长人类TREX1晶体的蛋白形式，并最终获得含有限位点突变的人类TREX1 （99%人类TREX1） 以及野生型人类TREX1-DNA （100%人类TREX1） 晶体结构 （图2） 。

图2. 人类TREX1–DNA二聚体结构模型

在一系列晶体结构中，一个1.25Å分辨率的人类TREX1结构不仅第一次展示了人类TREX1的结构模型，并且清晰地呈现了核酸酶活性口袋中活性位点的细节，这些细节对于药物开发具有重要的指导意义。此外，2.2Å分辨率人类TREX1-DNA复合体结构直接解释了人类TREX1如何识别DNA底物。其中，研究人员发现人类特有的K160/R164对于识别DNA底物很重要，而K160R是导致自身免疫性疾病的突变位点之一 （图3） 。更进一步，研究人员基于高分辨率的人类TREX1结构模型对目前已经报道的TREX1疾病相关位点进行了分类，推测它们主要影响DNA结合、二聚化、催化活性、相分离和蛋白稳定性。随后的生化分析进一步验证了结构预测的准确性。

图3. 人类TREX1-DNA识别分子机制

这个工作通过对人类TREX1蛋白进行生化和结构生物学研究，阐述了人类TREX1蛋白降解DNA的详细机制，解释了进化如何调节TREX1的功能，并为基于TREX1的药物开发提供了关键的基础。

南方科技大学周稳博士为论文第一作者和共同通讯作者，哈佛大学医学院的Philip Kranzusch博士为论文共同通讯作者，周稳课题组的博士后王倩楠为本课题做出了重要贡献。南方科技大学周稳课题组 （实验室网站：https://faculty.sustech.edu.cn/zhouw/） 主要从事抗病原微生物和抗肿瘤免疫的研究，通过生物化学、细胞生物学和结构生物学等多个手段研究天然免疫及相关疾病机理。致力于探索天然免疫中的相分离现象以及发现新的免疫蛋白。因工作需要诚聘博士后、科研助理，同时欢迎研究生报考。

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原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-32055-z

制版人：十一

参考文献

1. Ablasser, A., and Chen, Z.J. (2019). cGAS in action: Expanding roles in immunity and inflammation. Science 363, eaat8657.

2. Sun, L., Wu, J., Du, F., Chen, X., and Chen, Z.J. (2013). Cyclic GMP-AMP synthase is a cytosolic DNA sensor that activates the type I interferon pathway. Science 339, 786–791.

3. Stetson, D. B., Ko, J. S., Heidmann, T. & Medzhitov, R. (2008). Trex1 Prevents Cell-Intrinsic Initiation of Autoimmunity. Cell 134, 587–598.

4. Zhou, W., Whiteley, A.T., de Oliveira Mann, C.C., Morehouse, B.R., Nowak, R.P., Fischer, E.S., Gray, N.S., Mekalanos, J.J., and Kranzusch, P.J. (2018). Structure of the Human cGAS-DNA Complex Reveals Enhanced Control of Immune Surveillance. Cell 174, 300–311.e311.

5. Zhou, W., Mohr, L., Maciejowski, J. & Kranzusch, P. J. (2021). cGAS phase separation inhibits TREX1-mediated DNA degradation and enhances cytosolic DNA sensing. Mol Cell 81, 739-755.e7.

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