Nature | 陈志坚团队揭示细菌cGAS抗噬菌体机制

撰文 | 我的闺蜜老红帽

cGAS是一类进化保守的酶类，在免疫系统抵御感染过程中起到了至关重要的作用 【1-3】 。在脊椎动物中，cGAS被DNA活化后，可以产生环状GMP-AMP （cGAMP） 【4,5】 ，从而诱导抗菌基因的表达 【6,7】 。在细菌中也存在一套基于环状二核苷酸 （cyclic dinucleotide，简称 CDN ） 的抗噬菌体信号系统 （anti-phage signaling systems，简称 CBASS ） 【8】 。这类系统包含cGAS样酶类以及多种效应蛋白质，其中，效应蛋白在噬菌体感染时主要行使杀死细菌的功能，从而可以有效阻止噬菌体扩散。在已经报道的抗噬菌体信号系统中，近39%包含Cap2和Cap3，它们所编码的蛋白质与分别是泛素结合酶E1/E2和泛素缀合酶DUB的同源蛋白质 【8】 。虽然这些蛋白质在抵御一部分细菌噬菌体感染过程中至关重要，但是，是何种酶活性参与上述抗噬菌体过程中仍旧不得而知。

2023年2月27日，来自美国University of Texas Southwestern Medical Center的陈志坚研究组在Nature上发表题为 Ubiquitin-like Conjugation by Bacterial cGAS Enhances Anti-phage Defence 的文章，就上述问题进行了深入探讨。

生物信息学分析发现， 超过两千种抗噬菌体信号系统操纵子（operons）均包含Cap2和Cap3这一对辅助基因，它们分别编码了泛素结合酶结构域和泛素缀合酶结构域 。其中，Cap2同时编码E1泛素活化酶结构域和E2泛素载体结构域；而Cap3包含一个JAB去泛素化酶 （deubiquitinase） 结构域。目前，还没有报告指出E3样泛素连接酶或者是泛素样蛋白质在细菌免疫系统中行使功能。

因为Cap2的E1和E2结构域与其靶标蛋白结合，形成二硫键是其反应体系中至关重要的一步，作者首先从包含抗噬菌体信号系统操纵子的大肠杆菌TW1 1681细菌裂解液中筛选共价结合物，也就是筛选出与泛素样蛋白结合的分子。另外，对FLAG标记的Cap2进行Western blot检测可以确定，所筛选出的共价结合物对DTT和羟胺 （hydroxylamine） 敏感，这与二硫键形成条件相吻合。作者进一步通过质谱等方式确定，Cap2可以与cGAS的C端甘氨酸形成硫酯键 （thioester bond） ，并随之促进cGAS与靶标蛋白结合，这一过程与泛素连接在靶标蛋白上比较类似。

因为Cap2的催化活性是抗噬菌体信号系统介导的免疫响应中至关重要的一环 【8】 ，因而作者检测，与cGAS的结合是否参与Cap2的抗病毒响应。作者确定，与cGAS的C端进行泛素样结合，在抗噬菌体免疫响应中具有重要作用，而且，Cap2的E1-E2活性位点突变后，Cap2就不能行使抗噬菌体的功能。

接下来，作者研究cGAS结合抵御噬菌体入侵的具体机制。作者通过生化实验以及蛋白组学方法发现，Cap2介导的cGAS共价结合可以提高cGAS活性，而且，cGAS的共价结合可以提升cGAMP的产生水平。Cap2可以介导cGAS 的C端与来自细菌和噬菌体裂解液的靶标蛋白赖氨酸的共价结合，当然，这一过程中，作者并不能排除cGAS与非蛋白靶标结合的可能性。

最后，为了进一步确定cGAS共价结合在抗噬菌体信号系统中的作用，作者采取正向基因筛选的实验手段。通过大规模基因组学筛选，作者确定，Vs.4这一高度保守的噬菌体蛋白，具有拮抗抗噬菌体信号系统活性的作用。具体来说，噬菌体蛋白Vs.4可以通过与cGAMP紧密结合 （Kd ~30 nM） ，并且使其聚集，来拮抗cGAS信号通路。Vs.4与cGAMP结合的晶体结构显示，一个分子的Vs.4和三个分子的cGAMP可以形成异四聚体。

综上所述，作者的工作 展示了一套在细菌中普遍存在的、用以调控cGAS活性的、类似泛素结合的分子机制，这也可以认为是细菌和病毒在控制环状二核苷酸水平方面的军备竞赛。 当然，细菌cGAS的生理学靶标蛋白仍不清楚，虽然蛋白组学分析显示cGAS主要与细菌和噬菌体的赖氨酸残基结合，但还有一种可能性是cGAS的靶标并不是蛋白质，这也是作者接下来需要重点攻克的问题。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05862-7

制版人：十一

参考文献

1  Margolis, S. R., Wilson, S. C. & Vance, R. E. Evolutionary Origins of cGAS-STING Signaling. Trends Immunol 38, 733-743 (2017). https://doi.org:10.1016/j.it.2017.03.004

2  Duncan-Lowey, B. & Kranzusch, P. J. CBASS phage defense and evolution of antiviral nucleotide signaling. Curr Opin Immunol 74, 156-163 (2022). https://doi.org:10.1016/j.coi.2022.01.002

3  Wein, T. & Sorek, R. Bacterial origins of human cell-autonomous innate immune mechanisms. Nat Rev Immunol (2022). https://doi.org:10.1038/s41577-022-00705-4

4  Sun, L., Wu, J., Du, F., Chen, X. & Chen, Z. J. Cyclic GMP-AMP synthase is a cytosolic DNA sensor that activates the type I interferon pathway. Science 339, 786-791 (2013). https://doi.org:10.1126/science.1232458

5  Wu, J. et al. Cyclic GMP-AMP is an endogenous second messenger in innate immune signaling by cytosolic DNA. Science 339, 826-830 (2013). https://doi.org:10.1126/science.1229963

6  Ishikawa, H. & Barber, G. N. STING is an endoplasmic reticulum adaptor that facilitates innate immune signalling. Nature 455, 674-678 (2008). https://doi.org:10.1038/nature07317

7  Ablasser, A. & Chen, Z. J. cGAS in action: Expanding roles in immunity and inflammation. Science 363 (2019). https://doi.org:10.1126/science.aat8657

8  Cohen, D. et al. Cyclic GMP-AMP signalling protects bacteria against viral infection. Nature 574, 691-695 (2019). https://doi.org:10.1038/s41586-019-1605-5

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