cGAS（环磷酸鸟苷-腺苷合酶）是一种关键的胞质DNA传感器，能够识别细胞质中的双链DNA（dsDNA），并催化ATP和GTP合成环状小分子cGAMP【1, 2】。cGAMP作为第二信使，与STING结合，激活下游的I型干扰素和其他免疫调节基因的表达，从而引发免疫应答。cGAS参与了机体的免疫防御、慢性炎症以及抗肿瘤等过程【3】。cGAS包含两个结构域：N端无序区（IDR）-cGASNterm和催化结构域（cGASCD）。cGAS催化结构域（cGASCD）与DNA的结合，会使催化位点的结构发生改变，从而促进ATP和GTP合成环状小分子cGAMP【4, 5】。cGASCD与DNA存在的两个结合位点，使cGAS和DNA形成2:2的复合物，并沿DNA长链形成梯状结构【6】。此外，cGASCD与DNA还存在着第三个结合位点，使得其与DNA形成更复杂的结构【7】。在介观尺度上，cGAS与DNA可以形成液液相分离（LLPS），这一机制对于cGAS的活性至关重要【8】。LLPS不仅涉及cGASCD，还与N端无序区（IDR）cGASNterm密切相关。然而，由于N端IDR的灵活性和多样性，其在调控相变以及与DNA相互作用的具体模式尚未得到充分探索。近日，中国科学技术大学生命科学与医学部/附属第一医院、免疫应答与免疫治疗重点实验室高大兴课题组和中国科学技术大学生命科学与医学部无膜细胞器与细胞动力学教育部重点实验室项晟祺课题组在PNAS杂志上发表了一篇题为Crucial role of the cGAS N terminus in mediating flowable and functional cGAS–DNA condensate formation via DNA interactions 的研究论文。该研究主要探讨了cGAS蛋白的相变和酶活的调控机制，通过生化、核磁共振（NMR）波谱学和细胞生物学等手段，揭示了cGAS N端无序区通过结合DNA来调节cGAS相变凝聚相的材料性质，增强相变颗粒的流动性和通透性，从而确保了cGAS的酶活。
为了研究cGAS N 端结构域（cGASNterm）在相变中的调控作用，研究人员纯化了全长cGAS蛋白及单独的两个结构域截断体（cGASNterm和cGASCD）。生化实验的结果显示，尽管三个蛋白片段都可以与DNA发生相变，但所形成的凝聚相的材料性不同。全长cGAS和cGASNterm形成的相变聚集具有较强的流动性，通透性较好，DNA酶可以降解其中的DNA从而驱散凝聚。相比之下，cGASCD形成的则是偏向于固体的凝胶状聚集，流动性弱，通透性差。这种凝聚相可以保护其内DNA不被DNA酶降解。而这种凝胶状聚集不利于cGAS酶活反应中的物质交换，从而导致了cGASCD酶活性偏低。cGASNterm单独形成的凝聚相更偏向于液体，通过FRAP实验证明了其流动性最强。而且，cGASNterm不仅与DNA发生LLPS，与RNA也可以发生LLPS，并被锌离子所促进。cGASNterm与DNA发生LLPS作用的基础是二者结合的多价性。面对这种结构上灵活多变的无序区，研究人员借助于NMR技术，特别是可以直接观察凝聚相内部情况的固体核磁（solid-state NMR）方法，揭示了N端参与DNA结合的关键区域。研究发现，N端有三个区域（site1-3）参与DNA的结合，其中site3可能还涉及N端蛋白之间的相互作用。尽管N端的序列进化上不保守，这些参与DNA相互作用的氨基酸相对保守，主要包括丝氨酸（Ser）和苏氨酸（Thr）等极性残基，而非之前认为的正电氨基酸。通过进一步的突变实验，研究人员验证了这些氨基酸位点在N端结合DNA以及调控相变材料性质中的关键作用。当cGAS的N端失去与DNA的结合能力时，全长cGAS相变行为会转变为类似于cGASCD所形成的凝胶状聚集，这种转变伴随着酶活性的显著下降，进而导致下游信号通路的激活以及抗病毒能力大幅减弱。更有趣的是，N端对相变性质的调控作用是通过一种反式（trans）的作用方式进行：在cGASCD-DNA凝胶状聚集中引入额外的cGASNterm，cGASNterm可以渗透入cGASCD-DNA相变体系，进而恢复凝聚体的流动性和通透性，并恢复其酶活性。这些发现不仅确立了cGAS凝聚体材料性质与其酶活性之间的关系，而且揭示了cGAS N端无序区（cGASNterm）调控cGAS相变的机制，并精确鉴定了其中关键的氨基酸位点。在生理和病理条件下，cGAS的活性受到机体本身和病毒蛋白的调控，它们可以通过N端的共价修饰或切割影响cGAS的活性【9, 10】，本研究为cGAS N端的调控研究和靶向于N端的药物的开发奠定了基础，为干预cGAS活性提供了新的潜在靶点。这对于开发新型免疫调节疗法和抗肿瘤治疗策略具有重要意义。中国科学技术大学高大兴教授和项晟祺教授为文章的通讯作者，博士生蒋折林和石繁为本工作的第一作者。这项工作也得到了多位合作者的帮助，包括中国科学技术大学史朝为教授、李娟博士和安徽医科大学生物医学工程学院医学工程与仪器系钟振声副教授。图1 cGASNterm调节cGAS-DNA相变聚集物的材料性质和酶活性的示意图
上）当cGAS的N端（cGASNterm）具备与DNA结合的能力时，cGAS与DNA形成的凝聚相呈现液滴状，并有较高的酶活。此时液滴流动性强，且通透性好，使得DNase能够进入并消化其中的DNA，最终导致液滴结构的解体。下）相反，当cGASNterm失去与DNA结合的能力时，cGAS和DNA不再形成柔性液滴，而是转变为固体凝胶状聚集物。这种固体形式聚集物对DNA酶的消化具有抵抗力，并且限制了酶促反应的效率，显示出与液滴状态截然不同的生物物理特性。https://doi.org/10.1073/pnas.241165912制版人：十一
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