新型DNA识别受体cGAMP合成酶的发现及其功能

何枝芳 林泳许 张嘉卉 肖义军*

( 1福建师范大学生命科学学院 福州 350108； 2福建师范大学附属中学 福州 350007)

在DNA还没被证实是遗传物质之前，免疫学家就认为它具有刺激免疫应答的作用——当病原微生物DNA感染细胞侵入细胞质时，或者细胞核或线粒体中的DNA在细胞损伤的情况下进入细胞质时，都会引起机体的免疫应答。但是，当时人们对DNA在免疫系统中的作用机制知之甚少。2000年第一个DNA识别受体TLR9的发现，使DNA识别受体的研究成为免疫学的研究热点。2013年DNA识别受体的研究有了新突破——华人科学家陈志坚发现了广谱DNA识别受体cGAMP合成酶(cGAS)。

cGAS的发现为病毒性和细菌性感染疾病以及自身免疫疾病的治疗提供了新启示,也为相应治疗药物的设计合成提供了新的思路。

1 DNA识别受体的发现

2000年Hemmi实验室发现了第一个DNA识别受体TLR9。他们在研究中发现小鼠免疫细胞的细胞质中存在某种蛋白，该蛋白会与富含未甲基化的胞嘧啶核苷酸-鸟嘌呤核苷酸序列(CpG)的DNA结合，激活小鼠免疫细胞产生先天性免疫反应。为了解该蛋白的结构与功能，研究人员分离纯化该蛋白，并通过BLAST搜索基因库，确定了该蛋白与已知的TLR具有高度相似性。

接着研究人员用该片段设计探针,从小鼠巨噬细胞cDNA文库中找出一条新的全长互补cDNA,将其命名为TLR9[1]。TLR9可识别未甲基化的CpG-DNA分子,发挥机体抵抗病原微生物的作用。TLR9的发现首次证实了哺乳动物细胞中存在DNA识别受体。

TLR9识别受体被发现之后，科学家又陆续发现了其他的DNA识别受体，如DAI、AIM以及RNA PolⅢ等。但这些DNA识别受体只能识别含特定序列的DNA，具有一定的局限性。那么是否存在一种能识别各种DNA的广谱DNA识别受体呢？

2 cGAS的发现

2013年美国西南医学研究中心陈志坚实验室发现了广谱DNA识别受体——cGAS。实验室运用了生化纯化和重建策略——首先对细胞进行DNA转染处理，接着破碎该细胞并对其细胞质进行成分分离，然后将每种成分独立加到经过通透性处理的巨噬细胞中，最后观察它们是否会触发免疫反应。实验结果发现有两种成分会触发免疫反应，其中一种成分的分子质量为675，正好是环化腺苷酸和环化鸟苷酸分子质量的平均值，因此推测其可能是环化鸟苷酸-腺苷酸(cGAMP)。

为了证实这一猜想，研究人员将该成分与化学合成的cGAMP进行质谱分析对比，结果证实该成分就是cGAMP。对于另一成分，研究人员通过光谱测定技术和经典的蛋白质纯化手段发现，它是一种能催化GMP和AMP形成cGAMP的酶，研究人员将它命名为cGAMP合成酶(cGAS)[2]。

进一步的结构分析表明，cGAS是一种定位于细胞质的蛋白质。为探究它的功能，科学家做了两个实验。实验一：研究人员用干扰RNA的方法抑制小鼠成纤维细胞的cGAS的表达，结果该细胞对胞质 DNA 的抗病毒反应大大削弱；实验二：对该细胞重新高表达cGAS，结果该细胞对胞质DNA的抗病毒反应增强[3]。这两个实验说明cGAS具有识别胞质DNA的功能，由此确定cGAS是一种新型的DNA识别受体。随后，他们还阐明了cGAS识别胞质DNA引起先天性免疫反应的机制，即在正常情况下，cGAS不具有催化功能，但当细胞质中出现DNA时，cGAS会被激活，并将胞质DNA中的GMP和AMP催化成cGAMP，接着cGAMP会激活下游免疫通路诱导细胞产生干扰素，最终引起先天性免疫反应。

3 cGAS的广谱性

那么，cGAS是不是一种广谱DNA识别受体呢？为了探究cGAS是否具有广谱性，科学家分别用A型DNA、B型DNA、Z型DNA、病毒DNA和细菌DNA感染免疫细胞，发现被感染的细胞都会发生先天性免疫反应，且碱基对在36bp以上的胞质DNA，更易被cGAS所识别。这些研究表明cGAS具有广谱性。正是由于cGAS具有广谱性，使得其在抗病毒、抗细菌和自身免疫疾病中均能发挥作用。

3.1 cGAS在抗病毒先天性免疫中的作用 cGAS不仅能够识别进入细胞质的病毒还能够识别进入细胞质的逆转录病毒。因为无论是病毒还是逆转录病毒感染细胞，都会导致细胞质出现DNA，只要出现胞质DNA就会被cGAS识别并结合催化产生cGAMP，诱导细胞分泌干扰素，引起先天性免疫应答。所以，cGAS可作为HIV及其他逆转录病毒的免疫检测器[4]。

陈志坚实验室发现，在人的单核细胞中，HIV逆转录酶抑制剂能够阻断病毒诱导的干扰素的产生，但是HIV整合酶抑制剂则无此功能，这说明HIV激活先天性免疫反应依赖于其逆转录产生的 DNA。除此之外，在小鼠及人的细胞中，敲除或降低cGAS的表达能够阻断鼠白血病病毒、艾滋病病毒诱导干扰素及其他细胞因子的产生。利用质谱扫描检测证实HIV 感染能够诱导产生cGAMP，cGAMP的产生依赖于cGAS以及病毒逆转录产生的 DNA。

由此可以确定，cGAS是逆转录病毒DNA的受体，在机体抗病毒的先天性免疫应答中发挥着至关重要的作用。

3.2 cGAS在抗细菌先天性免疫中的作用 cGAS不仅在抗病毒感染过程中发挥作用，还在抗菌方面起作用。当细菌侵入胞内时，会释放DNA到胞质中，此时的胞质DNA会被cGAS所识别。例如，结核杆茵是寄生在巨噬细胞的胞内小体中的寄生菌。它入侵宿主细胞后会留在胞内小体中，但是它的DNA能够逃离胞内小体进入胞质中。科学家通过体外实验(结核杆菌感染人源单核细胞系)和体内实验(小鼠肺部感染模型)证明了逃到胞质中的结核杆菌DNA会被cGAS所识别，诱导细胞分泌干扰素，引起机体的先天性免疫应答[5]。

由此可以确定，cGAS也是胞内细菌DNA的识别受体，在机体抗细菌的先天性免疫反应中发挥着重要的作用。

3.3 cGAS在自身免疫疾病中的作用 自身免疫疾病是指机体针对自身抗原发生免疫应答而导致自身组织损害所引起的疾病，如系统性红斑狼疮。有研究发现自身免疫疾病是由脱氧核糖核酸内切酶II(DNaseII)基因发生突变或缺失，致干扰素过度表达而引起的。

为探究cGAS是否能识别自身细胞损伤产生的胞质DNA。首先，研究人员敲除小鼠的DNaseII和cGAS基因。实验结果显示：cGAS的缺失能够使DNaseII和cGAS都缺失的小鼠不发生自身免疫病。后续的生理指标检测结果显示：cGAS的缺失大幅度降低了小鼠体内针对胞质DNA的敏感度[6]。此实验表明cGAS能够识别自身机体损伤产生的胞质DNA。这进一步确定cGAS在自身免疫疾病中发挥着至关重要的作用。

4 结语

综上所述，cGAS是一种广谱的DNA识别受体，不仅可以识别侵染入细胞外源DNA,而且可以识别自身机体损伤产生的DNA，并激活先天性免疫反应。该发现不仅为病毒性感染疾病和细菌性感染疾病的治疗提供了新思路，还为相关药物的设计合成提供了新的思路。

同时，cGAS的发现也为自身免疫疾病的治疗提供了新靶点：如可以通过开发出cGAS抑制剂，将人从自身免疫疾病中解脱出来。

(基金项目：福建省自然科学基金,No.2016J01149；本文第一作者为福建师范大学生命科学学院在读硕士研究生；*通讯作者)