关于cGAS介导的I型干扰素上调的研究

来源：BioArt

区别自我和非我是维持免疫稳态的基础。病毒核酸是宿主抗病毒免疫的主要驱动因素，那如何确保自我来源的DNA和RNA不被错误识别为非我是具有挑战的问题。I型干扰素病的分子定义是与I型干扰素信号持续增强相关的自发炎症性疾病，这表明机体对于自我和非我的鉴别是非常重要的。

近期的研究显示，微核内受损的DNA是具有免疫刺激作用的，这表明细胞核本身是可以作为能够诱导先天免疫反应的核酸来源。虽然核膜可以对细胞质内核酸传感器起屏蔽作用，但当有丝分裂期间核膜破裂时，双链DNA感受器cGAS可与染色质结合【1】。cGAS在核膜破裂后进入细胞核，可定位于细胞核内。这些观察结果提出了一个问题，核DNA的免疫原性是如何被调节的，从而在抗病毒反应中保持cGAS对DNA的反应敏感性的同时，限制自身炎症的风险？

近日，来自英国爱丁堡大学的Yanick J. Crow在Nature Genetics杂志发表文章cGAS-mediated induction of type I interferon due to inborn errors of histone pre-mRNA processing，对2名遗传特征不明的I型干扰素病Aicardi-Goutières综合征患者进行全外显子测序，鉴定出LSM11和RNU7-1具有双等位基因突变，两者编码复制依赖性组蛋白pre-mRNA处理复合物的组分。该突变与典型组蛋白转录的错误处理、连接体组蛋白化学计量的紊乱有关。此外，病人来源的成纤维细胞中，突变导致核定位的cGAS分布发生改变，通过STING途径增强干扰素信号。体外构建无连接组蛋白的染色质能更有效地刺激cGAMP的产生，激活干扰素信号。即作为染色质重要的组分——核组蛋白，对于抑制自我DNA的免疫原性具有重要作用。

研究人员首先选取了2位受到AGS影响的兄弟姐妹，进行全外显子测序，鉴定出LSM11中具有一个纯和的c.631G>A的转换，导致LSM11的蛋白发生突变，且该突变没有被记录。LSM11形成U7 snRNP复合物，参与复制依赖性组蛋白（RDH） pre-mRNAs的处理过程。虽然在其他病人中没有检测到LSM11的病理性突变，但在11个独立家系的16例患者中检测到RNU7-1（编码snRNA U7）具有双等位基因变异，而663名对照中没有检出RNU7-1的双等位基因突变。

RDH基因编码四种核心组蛋白（H2A、H2B、H3和H4）和连接组蛋白家族H1（linker histone），具有独特的特征，其不具有内含子，编码已知的唯一一个在3‘端没有poly（A）尾的真核mRNA，而是以一个保守的茎环终止。茎环结构的形成是由pre-mRNA在茎环和组蛋白下游元件HDE（富含嘌呤的序列）进行核内裂解形成。而茎环结合蛋白和U7-snRNP分别结合在茎环和HDE部位【2-3】，从而实现RDH pre-mRNAs的处理过程。而组蛋白pre-mRNA处理过程如果失败，由于U7依赖性切割位点下游具有隐形的多聚腺苷酸化信号，可能导致异常的含有poly（A）的mRNA亚型出现。检测病人来源的成纤维细胞，发现LSM11或RNU7-1突变的病人细胞具有富集的RDH mRNA的错误处理形式，敲除LSM11能观察到类似的结果。而且，LSM11或RNU7-1突变的病人细胞中连接子和核心组蛋白的mRNA表达与对照组具有显著差异。对病人和对照组来源成纤维细胞中poly（A）+和poly（A）-组分进行RNA-seq，观察到病人来源细胞中多聚腺苷酸化的RDH mRNA转录本整体增加，而成熟的非多聚腺苷酸化的RDH基因转录本减少；并且连接子和核心组蛋白同样出现多聚腺苷酸化的转录本增加，而非多聚腺苷酸化的转录本减少。即LSM11或RNU7-1病理性功能缺失突变影响RDH pre-mRNA 处理过程。

AGS是I型干扰素病，具有增强的I型干扰素产生。从16名病人的血液中检测到上调的干扰素刺激基因（ISGs）的表达，病人来源的成纤维细胞中同样检测到ISGs基因和蛋白的表达升高。在THP1细胞或病人来源成纤维细胞中，LSM11的表达降低导致错误处理的RDH mRNA增加，ISGs和IFN-β诱导增加；进一步缺失cGAS或STING降低LSM11敲低诱导的IFN增加，而缺失MAVS（RNA感知器）不影响。此外，病人来源成纤维细胞中cGAMP增加。这表明组蛋白pre-mRNA处理过程的失调中，是DNA，而不是RNA，导致了IFN信号的增加。于是，研究人员提出了一个假设：细胞内组蛋白水平和染色质结构的扰动会导致cGAS的诱导产生。首先分离病人和对照的成纤维细胞的细胞核部分，检测发现病人中连接子组蛋白的整体水平减少，而核心组蛋白的水平没有影响。在THP1中敲低H1.4（连接子组蛋白）诱导较高的ISGs表达，即连接子组蛋白的降低可能激活cGAS-STING依赖的炎症信号。

cGAS核定位的出现意味着基因组DNA在某种程度上是免疫惰性的，但体外的研究显示cGAS可以结合染色质并被激活。核小体对cGAS的亲和力比裸露的DNA更高，其对DNA依赖的cGAS激活具有相对的抑制作用。那么，研究人员推测细胞核DNA的组蛋白组成可能会影响cGAS的结合和/或活化。检测发现，病人来源的成纤维细胞中，cGAS的细胞核分布发生改变，畸形细胞核的频率增加。体外组装染色质发现，没有连接子组蛋白的染色质导致重组的cGAS产生cGAMP，即cGAS-STING通路是激活的。

总的来说，研究揭示出复制依赖性组蛋白pre-mRNA处理复合物组分LSM11和RNU7-1的突变或可解释AGS相关表型，即LSM11和RNU7-1突变导致组蛋白mRNA转录本处理过程发生失调，连接子组蛋白水平下降，通过cGAS-STING通路诱导IFN表达。同时证明细胞核组蛋白活在维持自身DNA低免疫原性上具有重要作用。

参考文献

1. Zierhut, C. et al. The cytoplasmic DNA sensor cGAS promotes mitotic cell death. Cell 178, 302–315.e23 (2019).

2. Martin, F., Schaller, A., Eglite, S., Schümperli, D. & Müller, B. The gene for histone RNA hairpin binding protein is located on human chromosome 4 and encodes a novel type of RNA binding protein. EMBO J. 16, 769–778 (1997).

3. Sabath, I. et al. 3′-End processing of histone pre-mRNAs in Drosophila: U7 snRNP is associated with FLASH and polyadenylation factors. RNA 19, 1726–1744 (2013).