DNA高级结构和DNA修饰对cGAS-STING天然免疫通路的调节作用研究

In mammalian cells，cytoplasmic DNA fragments can be recognized by cyclic GMP-AMP synthase (cGAS), activating cGAS/STING-dependent innate immune system, which finally leads to immune defense or inflammatory reaction. DNA recognition by cGAS is not dependent on the DNA sequence but dependent on the secondary structure of DNA. The effect of DNA higher-order structures and DNA modifications on the activation of cGAS/STING pathway remains to be addressed. The current project will study the effect of DNA higher-order structures (such as nucleosome and cyclical DNA) and DNA modifications (such as 5mC and phosphorothioate modification) on modulating cGAS/STING-dependent innate immune response, aimed at revealing how cGAS discriminates self from non-self in cytoplasmic DNA sensing, as well as the role of microbial DNA modifications on escaping immune recognition in host cells. This study will provide insight into the relationship between cGAS-STING pathway with diseases such as infection, inflammation, cancer and autoimmunity, and pave the road for developing new chemical tools for modulating innate immune responses.

本申请对应重点资助研究方向（二）中“发现和揭示新型动态修饰调控生物大分子功能的规律,促进对病原菌和宿主相互作用等重要生命活动的理解”这一研究重点。在哺乳动物细胞中，胞质DNA片段可以被模式识别受体cGAS感应，激活cGAS-STING天然免疫通路，诱导免疫防御反应或炎症反应。cGAS激活与DNA一级结构（序列）无关，而DNA二级结构显著影响cGAS对DNA的识别和结合。本项目计划应用化学生物学的工具和方法，研究DNA高级结构（包括核小体、环状DNA、质粒DNA）和内源DNA修饰（包括5mC和硫代磷酸酯）对DNA激活cGAS-STING免疫通路的调节作用，探讨模式识别受体cGAS正确区分“敌”和“我”的分子机制，以及DNA修饰在微生物逃避宿主cGAS免疫监视中的角色，为深入揭示cGAS-STING免疫通路与感染、炎症、癌症和自身免疫性疾病的关系、发展基于免疫调节的化学干预手段奠定基础。

cGAS是一种新型胞质DNA模式识别受体。cGAS在细胞质中结合双链DNA(dsDNA)分子，以ATP和GTP为底物，催化合成第二信使2’, 5’-cGAMP。cGAMP结合并激活STING，导致转录因子IRF-3磷酸化，最终启动干扰素、白细胞介素等细胞因子的表达，诱导天然免疫应答。cGAS如何正确区分病原体DNA和自身内源DNA，避免被自身DNA活化，导致自身免疫疾病呢？在本项目研究中，我们分别探讨了真核细胞DNA的高级结构(核小体)和病原体DNA的天然修饰(硫代磷酸酯修饰)对激活cGAS的调节作用。一方面，我们对比了游离态dsDNA和核小体穿透细胞膜到达细胞质的能力，以及二者在体外和细胞内激活cGAS的能力。研究发现尽管核小体具有更好的细胞膜穿透能力和cGAS结合亲和力，它对cGAS的激活能力要显著低于游离态dsDNA，说明真核细胞中dsDNA组装成核小体高级结构是抑制cGAS介导的自身免疫反应的重要因素。另一方面，我们研究了病原体DNA中特有的硫代磷酸酯(PS)修饰对dsDNA激活cGAS的影响。结果发现PS修饰能显著增加dsDNA对cGAS的结合与激活能力，诱发更为强烈的天然免疫反应，说明宿主细胞中的天然免疫识别受体cGAS能够通过识别病原体DNA中特有的化学修饰，实现对病原体的高特异性免疫应答。总之，通过该项目研究，我们发现DNA高级结构和DNA修饰都是cGAS用于正确区分“敌”和“我”的重要因素。该研究结果还为我们设计合成靶向cGAS的免疫激活剂和免疫抑制剂，用于癌症、自身免疫等相关疾病的治疗提供了新思路。