Het menselijk lichaam is gebouwd om te overleven. Elk van zijn cellen wordt nauwlettend bewaakt door een reeks immuuneiwitten, gewapend met bijna onfeilbare radars die vreemd of beschadigd DNA detecteren.

Een van de meest kritische schildwachten van de cellen is een 'first responder'-eiwit dat bekend staat als cGAS, die de aanwezigheid van vreemd en kankerachtig DNA detecteert en een signaalcascade initieert die de afweer van het lichaam activeert.

De ontdekking van cGAS in 2012 veroorzaakte een storm van wetenschappelijk onderzoek, resulterend in meer dan 500 onderzoekspublicaties, maar de structuur en de belangrijkste kenmerken van de menselijke vorm van het eiwit bleven wetenschappers ontgaan.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van de Harvard Medical School en het Dana-Farber Cancer Institute hebben, Voor de eerste keer, identificeerde de structurele en functionele verschillen in menselijk cGAS die het onderscheiden van cGAS bij andere zoogdieren en ten grondslag liggen aan zijn unieke functie bij mensen.

Een verslag van het werk van het team, gepubliceerd op 12 juli in Cel , schetst de structurele kenmerken van het eiwit die verklaren waarom en hoe menselijke cGAS bepaalde soorten DNA waarneemt, terwijl je anderen negeert.

"De structuur en het werkingsmechanisme van menselijke cGAS zijn cruciale ontbrekende onderdelen in de immunologie en de kankerbiologie, " zei senior onderzoeker Philip Kranzusch, assistent-professor microbiologie en immunobiologie aan de Harvard Medical School en het Dana-Farber Cancer Institute. "Onze bevindingen die de moleculaire samenstelling en functie van menselijke cGAS beschrijven, dichten deze kritieke leemte in onze kennis."

belangrijk, de bevindingen kunnen het ontwerp van geneesmiddelen met kleine moleculen die zijn afgestemd op de unieke structurele kenmerken van het menselijke eiwit, informeren - een vooruitgang die belooft de precisie-cGAS-modulerende geneesmiddelen die momenteel in ontwikkeling zijn als kankertherapieën, te stimuleren.

"Verschillende veelbelovende experimentele immuuntherapieën die momenteel in ontwikkeling zijn, zijn afgeleid van de structuur van muis-cGAS, die belangrijke structurele verschillen met menselijke cGAS herbergt, " zei Kranzusch. "Onze ontdekking zou moeten helpen deze experimentele therapieën te verfijnen en het ontwerp van nieuwe aan te wakkeren. Het zal de weg vrijmaken voor een structuurgestuurd ontwerp van geneesmiddelen die de activiteit van dit fundamentele eiwit moduleren."

De bevindingen van het team verklaren een uniek kenmerk van het menselijke eiwit:het vermogen om zeer selectief te zijn bij het detecteren van bepaalde soorten DNA en de neiging om veel spaarzamer geactiveerd te worden, vergeleken met het cGAS-eiwit in andere dieren.

specifiek, het onderzoek toont aan dat menselijk cGAS mutaties herbergt die het buitengewoon gevoelig maken voor lange stukken DNA, maar het "blind" of "ongevoelig" maken voor korte DNA-fragmenten.

"Human cGAS is een zeer onderscheidend eiwit dat een verhoogde specificiteit heeft ontwikkeld voor DNA, " zei mede-eerste auteur Aaron Whiteley, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Microbiologie en Immunobiologie aan de Harvard Medical School. "Onze experimenten onthullen wat aan deze mogelijkheid ten grondslag ligt."

Bij alle zoogdieren cGAS werkt door DNA te detecteren dat zich op de verkeerde plaats bevindt. Onder normale omstandigheden, DNA is stevig verpakt en beschermd in de celkern - de cellulaire 'veilige' - waar genetische informatie wordt opgeslagen. DNA heeft niets te maken met vrij rondlopen in de cel. Wanneer DNA-fragmenten buiten de kern en in het cytosol van de cel terechtkomen, de vloeistof die de organellen van de cel omhult, het is meestal een teken dat er iets onheilspellends aan de hand is, zoals schade die van binnenuit de cel komt of vreemd DNA van virussen of bacteriën die de cel zijn binnengedrongen.

Het cGAS-eiwit werkt door dergelijk misplaatst DNA te herkennen. Normaal gesproken, het ligt slapend in cellen. Maar zodra het de aanwezigheid van DNA buiten de kern waarneemt, cGAS komt in actie. Het maakt een andere chemische stof - een tweede boodschapper - genaamd cGAMP, waardoor een moleculaire kettingreactie in gang wordt gezet die de cel waarschuwt voor de abnormale aanwezigheid van DNA. Aan het einde van deze signaalreactie, de cel wordt gerepareerd of, indien onherstelbaar beschadigd, het vernietigt zichzelf.

Maar de gezondheid en integriteit van de cel zijn gebaseerd op het vermogen van cGAS om onschadelijk DNA te onderscheiden van vreemd DNA of zelf-DNA dat vrijkomt tijdens celbeschadiging en stress.

"Het is een fijne evenwichtsoefening die het immuunsysteem in evenwicht houdt. Een overactieve cGAS kan auto-immuniteit veroorzaken, of zelfaanval, terwijl cGAS dat vreemd DNA niet detecteert, kan leiden tot tumorgroei en kankerontwikkeling, " zei co-eerste auteur Wen Zhou, een postdoctoraal onderzoeker aan de Harvard Medical School en het Dana-Farber Cancer Institute.

De huidige studie onthult de evolutionaire veranderingen in de structuur van het eiwit waardoor menselijke cGAS sommige DNA-ontmoetingen kan negeren terwijl ze op andere reageren.

Voor hun werk, het team wendde zich tot een onwaarschijnlijke medewerker - Vibrio cholerae, de bacterie die cholera veroorzaakt, een van de oudste plagen van de mensheid.

Profiteren van een cholera-enzym dat overeenkomsten vertoont met cGAS, de wetenschappers waren in staat om de functie van zowel menselijk als muis-cGAS in de bacterie na te bootsen.

Samenwerken met collega's van het lab van de bacterioloog John Mekalanos van de Harvard Medical School, de wetenschappers ontwierpen een hersenschim, of hybride, vorm van cGAS die genetisch materiaal van zowel de menselijke als de muisvorm van het eiwit bevatte. Vervolgens vergeleken ze het vermogen van de hybride cGAS om DNA te herkennen met zowel de intacte muizen- als de intacte menselijke versies van het eiwit.

In een reeks experimenten, de wetenschappers observeerden activeringspatronen tussen de verschillende soorten cGAS, het geleidelijk verkleinen van de belangrijkste verschillen die verantwoordelijk waren voor differentiële DNA-activering tussen de drie.

Uit de experimenten bleek dat van de 116 aminozuren die verschillen in cGAS voor mens en muis, slechts twee waren verantwoordelijk voor de veranderde functie van humaan cGAS. Inderdaad, humaan cGAS was in staat om lang DNA met grote precisie te herkennen, maar negeerde korte DNA-fragmenten. De muisversie van het eiwit, daarentegen, maakte geen onderscheid tussen lange en korte DNA-fragmenten

"Deze twee minuscule aminozuren maken een wereld van verschil, Whiteley zei. "Ze zorgen ervoor dat het menselijke eiwit zeer selectief is en alleen reageert op lang DNA, terwijl het korte DNA negeert, waardoor het menselijke eiwit in wezen toleranter wordt voor de aanwezigheid van DNA in het cytosol van de cel."

De genetische divergentie uitzetten op een evolutionaire tijdschaal, de wetenschappers hebben vastgesteld dat de cGAS-genen van mens en muis ergens tussen de 10 miljoen en 15 miljoen jaar geleden uit elkaar gingen.

De twee aminozuren die verantwoordelijk zijn voor het detecteren van lang DNA en het tolereren van kort DNA worden alleen aangetroffen bij mensen en niet-menselijke primaten, zoals gorilla's, chimpansees en bonobo's.

De wetenschappers veronderstellen dat het vermogen om kort DNA te negeren, maar om lang DNA te herkennen, enkele evolutionaire voordelen moet hebben opgeleverd.

"Het zou een manier kunnen zijn om te waken tegen een overactief immuunsysteem en chronische ontstekingen, "Zei Kranzusch. "Of het kan zijn dat het risico op bepaalde menselijke ziekten wordt verlaagd door kort DNA niet te herkennen."

In een laatste reeks experimenten, the team determined the atomic structure of the human cGAS in its active form as it binds to DNA.

Om dit te doen, they used a visualization technique known as X-ray crystallography, which reveals the molecular architecture of protein crystals based on a pattern of scattered X-ray beams.

Profiling the structure of cGAS "in action" revealed the precise molecular variations that allowed it to selectively bind to long DNA, while ignoring short DNA.

"Understanding what makes the structure and function of human cGAS different from those in other species was the missing piece, " Kranzusch said. "Now that we have it, we can really start designing drugs that work in humans, rather than mice."