Nature子刊！武汉大学发现抗病毒免疫和自身免疫的调控新机制

细胞溶质DNA感应器环GMP-AMP合酶(cGAS)在抗病毒免疫和自身免疫中起关键作用。cGAS的活性和稳定性通过翻译后修饰进行微调。

2022年10月10日，武汉大学林丹丹，张志东及钟波共同通讯在Nature Communications 发表题为“The E3 ubiquitin ligase ARIH1 promotes antiviral immunity and autoimmunity by inducing mono-ISGylation and oligomerization of cGAS”的研究论文，该研究表明ariadne RBRE3泛素蛋白连接酶1(ARIH1)催化单ISG化并诱导cGAS的寡聚化，从而促进抗病毒免疫和自身免疫。

敲除ARIH1可显着抑制单纯疱疹病毒1(HSV-1)或细胞质DNA诱导的I型干扰素(IFN)和促炎细胞因子的表达。骨髓细胞中ARIH1的缺失减轻了自身免疫表现，并完全挽救了由TREX1缺陷引起的自身免疫致死率。从机制上讲，HSV-1或胞质DNA诱导的cGAS寡聚化和活化通过其K187残基处的ISG化来增强，这由ARIH1催化。因此，该研究结果揭示了ARIH1在先天抗病毒和自身免疫反应中的重要作用，并提供了对cGAS翻译后调控的见解。

先天免疫系统通过模式识别受体(PRR)检测病毒核酸，包括RIG-I样受体、Toll样受体(TLR)和胞质DNA感应器，以启动抗病毒免疫反应。迄今为止，已鉴定出多种细胞质DNA感应器，其中环磷酸鸟苷-磷酸腺苷(cGAMP)合酶(cGAS)是识别不同类型细胞中病毒DNA所普遍需要的，因此可作为主要的DNA感应器。细胞质与DNA结合后，cGAS通过构象转变被激活，从而形成ATP和GTP5的催化活性和可接近的核苷酸结合口袋结构。生化分析表明，cGAS与DNA的结合促进了cGAS寡聚化，并有效催化ATP和GTP转化为cGAMP。

随后，cGAMP结合并激活IRF3激活的衔接蛋白介质，从而诱导一系列下游基因的表达，包括I型干扰素(IFN)和促炎细胞因子，从而引发细胞抗病毒免疫回应。值得注意的是，这些自身免疫表型被cGAS的消耗完全消除，这表明cGAS在自身DNA引发的自身免疫疾病中发挥着不可或缺的作用因此，阐明cGAS激活的调节机制将有助于深入了解抗病毒免疫和自身免疫。

据报道，翻译后修饰可以严格控制cGAS的活性和稳定性，并微调cGAS介导的免疫反应。cGAS的这种SUMOylation和NEDDylation表明类泛素修饰调节了cGAS的活性和稳定性。ISG15是一种IFN诱导蛋白，由两个通过短铰链区连接的泛素样结构域组成，未结合的ISG15可以通过非共价蛋白-蛋白相互作用及其作为细胞因子的作用来调节病毒复制和宿主抗病毒反应。蛋白质组学研究已经确定了数百种受干扰素刺激后ISG化的宿主蛋白。然而，只有一部分蛋白质已被验证为ISGylation，已在病毒感染的背景下进行了研究。cGAS是否以及如何通过ISG化来调节抗病毒免疫和自身免疫是完全未知的。

Ariadne RBRE3泛素蛋白连接酶1(ARIH1，也称为HHARI)是一种RING-between-RING(RBR)型泛素E3连接酶，与两种E2泛素结合酶UBCH7和UBCH842结合。最近的结构分析表明，ARIH1是Cullin-RING连接酶(CRL)的一个组成部分，并与Cullin相关的RBX1形成独特的E3-E3平台，从而优先催化各种底物受体。随后，底物要么离开CRL复合物，要么通过CRL在单泛素化的赖氨酸残基上进一步泛素化。然而，ARIH1是否以及如何通过CRL介导底物的ISG化仍有待研究。

在这项研究中，将ARIH1鉴定为与cGAS相互作用的E3泛素连接酶，可介导cGAS的单ISG化并在HSV-1感染后促进其寡聚化。敲除ARIH1会减弱细胞对HSV-1的抗病毒反应，敲除ARIH1会导致对HSV-1感染的超敏反应并减轻Trex1-/-小鼠的自身免疫表现。从机制上讲，ARIH1在体外和HSV-1感染后的细胞中直接催化cGAS的K187处的单ISG化，这减轻了K187介导的对cGAS寡聚化的抑制作用。这些发现突出了由ARIH1介导的cGAS激活的调节机制，并为病毒感染引起的疾病和自身免疫性疾病提供了潜在的靶点。

cGAS的单ISG化减轻了K187介导的cGAS寡聚化抑制（图源自Nature Communications ）

研究揭示了ARIH1在肿瘤发生中的抑制作用。最近的一份报告表明，ARIH1催化PD-L1的泛素化和降解，从而促进抗肿瘤免疫，并且在肺腺癌活检中ARIH1的表达受到严重抑制。据报道，细胞质cGAS激活先天免疫信号以响应肿瘤细胞中的DNA损伤或基因组不稳定性，从而促进CD8+T细胞的活化和免疫检查点阻断疗法的功效。研究ARIH1是否也通过促进ISG化和cGAS的激活而发挥抗肿瘤活性是非常有趣的。总的来说，研究结果不仅表征了先前发现的cGAS激活调节机制，而且还为病毒感染引起的疾病和自身免疫性疾病提供了潜在的靶点。

参考消息：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-33671-5