Immunity：李平卫团队揭示第二信使 cGAMP 跨膜转运机制

丁香学术 · 公众号 · · 2025-01-09 16:58

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病毒感染会引起强烈的先天免疫反应，诱导干扰素等细胞因子的表达，进而抑制病毒在细胞内的扩增。 cGAS-STING 信号传递通路是细胞内 DNA 感应的重要机制，在先天免疫反应过程中起到重要作用。 cGAS 被 DNA 激活后，催化合成第二信使环二鸟腺苷酸（cyclic GMP-AMP, cGAMP）。作为 cGAS-STING 通路下游重要的信息传递分子， cGAMP 与定位内质网膜的 STING 分子结合，诱导 STING 的聚合，进一步激活蛋白激酶 TBK1 和下游转录因子 IRF3，诱导干扰素基因的表达。作为第二信使的 cGAMP 能否从被感染的细胞输出，被未感染细胞吸收，与 STING 结合并诱导干扰素的表达，成为大家比较关注的问题。尽管细胞如何吸收 cGAMP 的机理已经得到比较深入的研究，cGAMP 如何从被感染细胞运出一直不是十分清楚。

西雅图华盛顿大学医学院 Daniel Stetson 实验室 2022 年在 Immunity 发表论文揭示 ABC 转运蛋白家族 ABCC1 能够从细胞中泵出 cGAMP，抑制 cGAS-STING 通路的激活，从而抑制依赖 cGAS 的自身免疫反应。

2025 年 1 月 6 日，美国德克萨斯农业与工程大学李平卫博士实验室和 Daniel Stetson 等人合作在 Immunity 上发表了文章 Structures of ATP-binding cassette transporter ABCC1 reveal the molecular basis of cyclic dinucleotide cGAMP export， 利用冷冻电镜技术解析了人源 ABCC1 以及它和 cGAMP 复合物的分子结构，阐述了 cGAMP 跨膜转运机制。

作为先天免疫中的核心的信号传递通路，cGAS-STING 通路的研究对于理解先天免疫机制、开发新型药物以及治疗自身免疫疾病都具有相当重要意义。通过深入探索 cGAS-STING 通路如何被激活和被调控，人们可以更好地应对感染、自身免疫性疾病，以及肿瘤等疾病的威胁，为促进人类健康做出重要的贡献。

在过去十几年中李平卫博士团队对 cGAS-STING 信号传递通路的分子机理进行了深入系统的研究。利用 X-射线晶体学和冷冻电镜技术，他们在 2012 年就解析了 STING 和环二核苷酸 c-di-GMP 的复合物结构 （Shu et al. NSMB ,2012）， 2013 年他们揭示了 cGAS 被 dsDNA 激活的分子机理 （Li et al. Immunity, 2013）， 2016 年他们实验室揭示了 STING 招募并活化转录因子 IRF3 的分子机理 （Zhao et al. PNAS, 2016), 2019 年他们揭示了 STING 招募和激活蛋白激酶 TBK1 的分子机制 （Zhao et al. Nature, 2019）， 2020 年，他们的研究揭示了 cGAS 与核小体紧密结合进而被抑制的分子机制 （Zhao et al. Nature, 2020）。 这一领域还有许多非常有趣的问题值得进一步探索，结构生物学显然是研究这些问题的强有力手段。

文章具体内容

研究人员首先确认了 ABCC1 参与 cGAMP 转运，cGAS 和 ABCC1 过量表达的细胞外 cGAMP 和细胞内 cGAMP 相比明显提高，干扰素荧光素 reporter 的活化明显降低。然后他们从悬浮培养的 293F 细胞中纯化了人源 ABCC1 和绿色荧光蛋白的融合蛋白。他们发现大部分 ABCC1 以二聚体形式存在，只有少量蛋白以单体形式存在。活性测试证实 ABCC1 二聚体有很强的依赖于 cGAMP 的 ATP 酶活性。

他们进一步用 Split-GFP 和激光共聚焦显微镜技术证实 ABCC1 在细胞膜上相互作用，形成二聚体。然后他们用冷冻电镜单颗粒三维重构技术解析了 ABCC1 的 3.8 埃分辨率分子结构。很有趣 ABCC1 形成一个由 N 末端跨膜结构域 (TMD0) 介导二聚体。第二个 ATP 结合结构域 (NBD2) 显示出明显柔性，没有明显的密度。

为了进一步证实 ABCC1 二聚体与其 cGAMP 转运活性相关，他们突变了参与 ABCC1 相互作用的氨基酸残基 P1120，这一突变（P1120F）降低了 ABCC1 的 cGAMP 转运活性以及干扰素荧光素 reporter 的活化。

为了弄清 ABCC1 转运 cGAMP 的分子机制，研究人员进一步解析了 ABCC1 与 cGAMP 复合物的 3.54 埃分辨率的分子结构，在 ABCC1 二聚体中的一个 ABCC1 分子的结合口袋发现明显的 cGAMP 密度。ABCC1 通过一个带正电荷的口袋和一个疏水口袋与 cGAMP 结合。这个结合口袋大致和另外一种 ABCC1 底物 LTC4 的结合口袋重合。与 cGAMP 的结合似乎影响 ABCC1 的构象，研究人员利用部分精选数据得到了完整的 ABCC1 4.32 埃分辨率的结构。当 ABCC1 与 cGAMP 结合后，第二个 ATP 结合结构域（NBD2）柔性减弱并靠近第一个 ATP 结合结构域（NBD1），为下一步结合 ATP，泵出 cGAMP 做好准备。

基于这个与 cGAMP 结合的 ABCC1 的结构，研究人员设计了一系列 ABCC1 的突变体并检测了他们转运 cGAMP 和诱导干扰素荧光素 reporter 的活性。实验结果表明突变两个重要的与 cGAMP 相互作用的残基 R1197 和 R1249 都会严重影响 ABCC1 活性。

ABCC1 转运 cGAMP 的最后一个步骤是 ABCC1 与 ATP 结合，诱导 ABCC1 构象变化并将 cGAMP 释放到膜外。研究人员试图解析 ABCC1 和 ATP 复合物的结构，可惜这一尝试没有获得成功，但是基于牛源 ABCC1 和 ATP 复活物的结构，他们建立了人 ABCC1 与 ATP 复合物的同源结构模型。和这项工作解析的两个结构一道，这一系列结构与功能研究揭示了 cGAMP 从细胞中泵出的分子机制。

北卡罗来纳大学教堂山分校张琦博士实验室在电镜数据收集和结构解析工作中的重要贡献，华盛顿大学 Daniel Stetson 博士实验室协助进行了 ABCC1 KO 细胞相关的工作，杰克逊实验室的 Phillip West 博士实验室提供 ABCC1 激光共聚焦显微数据，德州农工大学隋学武博士对 ABCC1 和 cGAMP 复合物结构解析做出重要贡献。这项研究工作是李平卫博士实验室研究生 Omkar Shinde 博士论文的核心内容，他对这项研究做出了重要贡献。

李平卫老师实验室招收两名博士后，欢迎对结构生物学和分子免疫学有兴趣的同学申请！

审核：李卫平

图片版权：作者/出版者、图虫创意

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