У высших организмов генетический материал обычно ограничен ядром клетки и мембранно-связанными органеллами, известными как митохондрии. Следовательно, любая ДНК, обнаруженная в цитоплазме, окружающей эти компартменты, должна происходить либо от повреждения ядра или митохондрий, либо от инвазивных бактериальных патогенов или ДНК-вирусов. Фермент cGAS действует как датчик такой неправильно размещенной ДНК и «информирует» врожденную иммунную систему клетки о наличии инфекции. Теперь команда под руководством проф.
Карл-Петер Хопфнер в сотрудничестве со своим коллегой проф. Вайт Хорнунг из Генного центра LMU и проф. Генрих Леонхард из Биомедицинского центра LMU обнаружил, почему длина цитоплазматической ДНК влияет на эффективность ее обнаружения. Исследователи обнаружили, что ДНК и фермент взаимодействуют, образуя лестничный комплекс, и продолжили демонстрацию, что эта структура должна превышать определенную длину, чтобы активировать врожденную иммунную систему.
cGAS связывается с цитозольной ДНК как гомодимер (i.е., функциональная форма фермента состоит из двух идентичных субъединиц). Связывание запускает ферментативную реакцию, которая приводит к образованию циклической молекулы-мессенджера, которая индуцирует синтез иммуностимулирующих белков, называемых интерферонами. Более ранние исследования показали, что в клетках, содержащих равное количество цитозольной ДНК, более длинные цепи ДНК активируют эту реакцию гораздо эффективнее, чем короткие цепи.
«Чтобы определить, как cGAS« измеряет »длину ДНК, мы кристаллизовали комплекс, состоящий из димеров cGAS и более длинных фрагментов ДНК, и определили его структуру с помощью дифракции рентгеновских лучей», — объясняет Хопфнер. Оказывается, комплекс структурирован как лестница с двухцепочечной ДНК (-ами), образующими стойки, между которыми вставлены димеры, образуя «ступеньки».
Стойки могут быть образованы двумя отдельными ДНК или одной U-образной молекулой ДНК. Формирование лестничной структуры необходимо для достаточной стабилизации активных димеров фермента, чтобы они могли синтезировать сигнальную молекулу cGAMP: «Чем больше ступеней вставлено, тем более стабильным становится комплекс, поскольку соседние димеры стабилизируют друг друга», — говорит Людмила Андреева. ведущий автор статьи. "Мы смогли построить математическую модель, которая объясняет этот механизм."
Если ДНК настолько короткая, что может образоваться только одна ступенька, комплекс нестабилен и быстро диссоциирует. "Комплекс работает как застежка-молния.
Если блокируется только один из выступов, его можно легко сместить, но когда многие вставляются на место, центральная часть не может развалиться », — объясняет Хопфнер. Некоторые другие белки могут способствовать инициации лестничной структуры, заставляя ДНК формировать U-образные повороты, которые позволяют вставлять первые димеры cGAS, за которыми легко следуют другие. Команда LMU смогла показать, что определенные связанные со стрессом и упаковывающие ДНК белки в ядре, в бактериях и митохондриях стимулируют активацию cGAS, структурируя ДНК.
Исследователи считают, что потребность в ДНК минимальной длины и формирование U-образных поворотов помогает врожденной иммунной системе избегать ненужной реакции на ложные сигналы тревоги: короткие цитозольные молекулы ДНК могут быть получены в результате процессов внутри самой клетки.
Очевидно, что для нацеливания на ДНК патогенов помогает более эффективная реакция сенсора на более крупные фрагменты ДНК.