近年来，清华大学药学院尹航教授课题组致力于cGAS介导的天然免疫信号通路的研究。天然免疫是机体抵抗病原体入侵的“第一道防线”。在病毒等病原体入侵时，其核酸分子（DNA和RNA）是细胞中的危险信号，可刺激人体启动天然免疫防御。近日，尹航课题组研究工作首次发现cGAS存在棕榈酰化修饰，详细阐释了棕榈酰化修饰调节cGAS活性的分子机制，并在小鼠模型中验证了棕榈酰化修饰在cGAS抗DNA病毒感染过程中的调控作用，给抗病毒药物的研发提供了新的思路。
环状鸟苷酸-腺苷酸合成酶（cGAS）由美国德州大学西南医学中心的陈志坚教授在2013年发现，近年已经成为天然免疫领域的研究热点。cGAS可识别病原体双链DNA分子，是启动抗病毒天然免疫防御的重要“哨兵”之一。除了抗病毒感染，cGAS介导天然免疫信号通路还在肿瘤免疫和自身炎症等疾病发生中发挥重要功能。cGAS功能缺陷或异常激活均会使机体免疫平衡失调，造成病毒感染或自身免疫性疾病的发生。因此，对cGAS功能调控的机制探索具有重要意义。棕榈酰化是蛋白质翻译后修饰的重要形式之一，它指将长链脂肪酸共价连接至蛋白质半胱氨酸侧链巯基上，可调节蛋白的亚细胞定位和酶活性等方面。棕榈酰化修饰是否参与调控cGAS的功能尚不明确。
尹航课题组研究通过酰基捕获技术检测到cGAS存在棕榈酰化修饰，并通过功能实验发现棕榈酰化修饰负调控cGAS的激活。结合蛋白质质谱技术鉴定出cGAS474位的半胱氨酸为棕榈酰化修饰位点。进一步通过shRNA筛选验证发现，cGAS棕榈酰化修饰主要由ZDHHC18酰基转移酶在DNA存在的情况下催化完成。在作用机理上，生化技术结合蛋白质分子动力学模拟发现cGAS的棕榈酰化修饰抑制了cGAS和配体DNA的结合以及cGAS的二聚化。为了探究cGAS棕榈酰化修饰的生理相关性，课题组在人和小鼠的细胞系中敲低ZDHHC18，发现干扰素和炎症因子的表达得到增强。在动物水平上，ZDHHC18基因敲除的小鼠品系表现出对DNA病毒感染更强的抵抗能力，揭示了cGAS棕榈酰化修饰重要的生物学意义。
ZDHHC18介导棕榈酰化修饰抑制cGAS过度激活的分子机制
总的来说，ZDHHC18介导的棕榈酰化修饰以一种负反馈调节的方式在cGAS结合DNA之后抑制cGAS活性，进而负调控下游天然免疫信号通路的激活，揭示了天然免疫信号全新的一种精细调控机制。
上述研究成果于4月19日发表在《欧洲分子生物学组织期刊》（The EMBO Journal），标题为“ZDHHC18通过棕榈酰化修饰负调节cGAS介导的天然免疫”（ZDHHC18 negatively regulates cGAS-mediated innate immunity through palmitoylation）。
文章第一作者为清华大学药学院博士后施成瑞，共同第一作者为清华大学化学系2017级博士生杨熙康和中科院大连化物所刘野博士；通讯作者为清华大学药学院尹航教授。本研究项目历时多年，在此过程中经费来源于清华大学结构生物学高精尖创新中心、生命科学联合中心、国家自然科学基金与北京高校卓越青年科学家计划项目的支持，实验受清华大学药学技术中心和清华大学蛋白质研究技术中心的支持，北京大学蒋争凡教授和清华大学张从刚教授提供了重要的技术支持。
论文链接：
https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embj.2021109272