科研进展-通讯生物学 | 清华大学陈春来课题组发展基于荧光寿命的凝聚体内部流动性的实时表征技术

环状GMP-AMP合成酶 （cGAS） 在cGAS-STING 通路中发挥着关键作用，它是一种DNA传感器，可与dsDNA结合，随后诱导I型干扰素的表达，因而在先天性免疫反应扮演着重要角色。细胞内cGAS的失调与一系列疾病密切相关，针对cGAS活性调控机制的研究有利于开发新的cGAS相分离和活性调控策略。目前已发现几种人类和病毒蛋白可增强或抑制cGAS的活性。然而，由于缺乏对辅助蛋白与cGAS、dsDNA相互作用的定量分析，这些蛋白发挥调控时的分子相互作用逻辑仍不明确。

蛋白G3BP1和PCBP1能够促进cGAS的相分离并增强其活性，而病毒外壳蛋白来源的蛋白ORF9、ORF52及VP22则具有抑制作用。dcFCCS的定量表征揭示了，发挥抑制作用的辅助蛋白显著降低了凝集物的水合半径，提高了相分离临界浓度；而发挥促进作用的辅助蛋白增大了凝集物的水合半径，降低了相分离临界浓度。进一步实验表明，两类蛋白与cGAS亲和力存在显著差异。促进蛋白与cGAS和dsDNA均可以发生较稳定的相互作用，从而促进三元相分离的发生，提高低浓度下cGAS的活性；抑制蛋白与dsDNA结合较强，而与cGAS结合较弱，因而得以阻碍cGAS与dsDNA的结合、相分离从而抑制cGAS的激活。

图1. 辅助蛋白调控cGAS相分离分子机制

基于研究揭示的分子相互作用逻辑，研究人员提出通过可控调节蛋白与cGAS的相互作用力的强弱实现对cGAS相分离和激活的调节。化学小分子雷帕霉素可以诱导蛋白结构域FKBP与FRB的相互作用。基于这一化学诱导手段，利用雷帕霉素调控FKBP-抑制蛋白与cGAS-FRB的亲和力，使cGAS在2分钟内重新形成液滴状结构。同时，该诱导系统成功在5-15min内迅速在活细胞内诱导cGAS相分离，并显著增强其活性。

图2. 化学诱导的cGAS相分离调控

光控诱导往往比化学诱导具有更高的空间可控性。研究人员利用蓝光照射促使pMag-nMagHigh1二聚化，从而增强nMagHigh1-抑制蛋白与cGAS-pMag的亲和力，诱导cGAS快速相分离。在活细胞中，该光控分子开关可逆地调控cGAS相分离，蓝光终止后，cGAS凝集体逐渐解离。

图3. 光诱导的cGAS相分离调控

本研究中开发的化学诱导和光诱导系统对分子间相互作用的价位影响极小，为研究cGAS相分离及其免疫调控功能提供了高时空精度的工具。同时，我们的调控系统能够同时影响cGAS，辅助蛋白以及DNA三者的相分离，为操纵多组分相分离系统的调控提供指导。

清华大学生命科学学院/ 北京生物结构前沿研究中心 陈春来 副教授为本文通讯作者；清华大学生命科学学院2020级博士生 汤伊婷 为本文第一作者。本项目获得了国家自然科学基金委、国家自然科学基金委员会与香港研究资助局联合科研资助基金、国家重点研发计划、 北京生物结构前沿研究中心 、膜生物学国家重点实验室的经费支持。