cgamp-synthase als sensor für invasive dna

T R E F F P U N K T FO R SC H U N G

Chem. Unserer Zeit, 2014, 48, 6 –10 © 2014 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 9

S I G N A LT R A N S D U K T I O N

cGAMP-Synthase als Sensor für invasiveDNA

Zyklische Dinucleotide, bei denen zwei Riboseeinheiten durch Phospho-diesterbindungen ringförmig verbunden sind, galten lange Zeit als Besonderheit der Prokaryoten. Doch auch bei Eukaryoten sind sie Kom-ponenten der Signaltransduktion und leisten einen wichtigen Beitragzur Pathogenabwehr.

Jetzt zeigten gleich mehrere For-schergruppen, dass Eukaryoten bishin zum Menschen ein gemischtes cy-clisches Dinucleotid selbst herstellen,bei dem Adenosin und Guanosindurch eine 3'→5'- sowie eine 2'→5'-Phosphodiesterbindung verknüpftsind (Abb.). Dieses c-GAMP wird beiviralen oder bakteriellen Infektionenals Reaktion auf intrazelluläre Fremd-DNA gebildet und stimuliert ebenfallsüber STING die Immunabwehr [3–5].

Die enzymatische Synthese des c-GAMP aus ATP und GTP verläuft inzwei Schritten mit einem linearen Di-nucleotid als Zwischenprodukt underfordert Mg2+ oder Mn2+ als Cofak-tor. Beide Teilschritte werden durchdie Freisetzung und Hydrolyse vonPyrophosphat angetrieben und vonein und demselben Enzym kataly-siert, der c-GAMP-Synthase, kurzcGAS [4]. Diese gehört zu einer starkkonservierten Proteinfamilie, den sogenannten Nucleotidyl-Transferasen(NTasen). Enzymatisch aktiv ist diecGAS nur in Anwesenheit von dop-pelsträngiger DNA (dsDNA) und fun-giert so als DNA-Sensor. Andere Nu-cleinsäuren (doppelsträngige RNA,DNA/RNA-Hybride, einzelsträngigeDNA oder RNA) können das Enzymnicht aktivieren. Kürzlich wurde der

katalytisch aktive Teil der cGAS (ohneihren unstrukturierten, in der Se-quenz variablen Aminoterminus) fürdie Röntgenstrukturanalyse kristalli-siert [4, 5]. Die Substratbindungsta-sche, identifiziert durch cokristalli-sierte Nucleotide, zeigt wie die ande-rer NTasen nur ein Zentrum für dieBildung der Phosphodiesterbindung.Deshalb wird angenommen, dass sichfür den Ringschluss das zweite Nu-cleotid des Zwischenprodukts inner-halb der Tasche um 180° drehenmuss, um mit den katalytisch aktivenAminosäuren zu interagieren.

Passend zur Funktion der cGASals DNA-Sensor ist beim DNA-freienEnzym das aktive Zentrum ein engerSchlitz, den ATP und GTP nicht pas-sieren können. Erst nach Bindungvon dsDNA öffnet sich durch einedramatische Strukturänderung derZugang zum aktiven Zentrum. Ver-gleichbares gilt für ein weiteres Mit-glied der NTase-Familie, die Oligoa-denylatsynthase OAS1, ein Sensor fürvirale RNA. Deren Domänenstrukturzeigt Ähnlichkeit zu der von cGAS, al-lerdings öffnet sich das katalytischeZentrum nach Bindung von doppel-strängiger RNA. Daraufhin bildetOAS1 lineare 2',5'-Adeninoligonucleo-tide und löst so eine Abwehrreaktionaus, in deren Verlauf das Enzym RNaseL die virale RNA abbaut [6].

Die Bindung der dsDNA an cGASerfolgt hauptsächlich durch ionischeWechselwirkungen des Ribose-Phos-phat-Rückgrats der DNA mit positivgeladenen Aminosäuren des Enzyms,so dass vielfältige bakterielle und vi-rale DNA-Fragmente unabhängig vonihrer Basensequenz wirksam sind.Auch zelleigene DNA kann, wenn sienach Schädigung des Zellkerns insCytosol gelangt, mit der cGAS intera-gieren und so – vermittelt durchcGAMP und STING – eine Autoim-munreaktionen auslösen. Konkretwurde dies bislang für die Schmetter-lingsflechte (Lupus erythematodes)gezeigt, bei der durch UV-Licht oxi-dierte DNA in der Haut eine Entzün-dungsreaktion auslöst [7].

Annette Hille-Rehfeld, Stuttgart

www.chiuz.de

Zyklisches 3',5',-Di-Guanosinmono-phosphat (kurz c-di-GMP), bei demzwei Ribosebausteine durch 3'→5'-Phosphodiesterbrücken verbundensind, wurde 1987 als Aktivator einerbakteriellen Zellulosesynthase ent-deckt. Es ist bei Prokaryoten univer-sell verbreitet und dient als intrazel-lulärer Botenstoff (second messen-ger), wie das bekanntere zyklischeAdenosin-3',5'-monophosphat(cAMP). Besonders wenn Bakterienmit anderen Lebewesen oder abioti-schen Oberflächen interagieren,greift c-di-GMP in intrazelluläre Sig-nalketten zur Steuerung von Zellzy-klus, Differenzierung, Motilität oderVirulenz ein [1]. Es entfaltet seineWirkung durch Bindung an Rezeptor-proteine oder an Sekundärstrukturenvon RNA, so genannte Riboschalter.

Neuerdings mehren sich die Hin-weise, dass zyklische Dinucleotideauch bei Eukaryoten wichtige sekun-däre Botenstoffe sind. Beim Schleim-pilz Dictyostelium discoideum ist c-di-GMP an der Regulation von Dif-ferenzierungsprozessen beteiligt [2].Auch mehrzellige Eukaryoten (Meta-zoen) erkennen zyklische Dinucleoti-de als Signale, z. B. nach Infektion mitintrazellulär lebenden bakteriellenKrankheitserregern wie Listeria mo-nocytogenes, die c-di-AMP (das Ade-nin-Analog von c-di-GMP) in das Cy-tosol der infizierten Zelle sezernie-ren. Dabei bindet ein Membranpro-tein namens STING (stimulator of in-terferon genes) das zyklische Dinu-cleotid und setzt eine Signalkaskadein Gang, die letztlich durch Produkti-on von Interferonen und Cytokinendie Immunabwehr des Wirts alar-miert.

Abb. Struktur des cyclischen GAMP-AMP c[G(2',5')pA(3',5')p].

[1] U. Römling et al.,Microbiol. Mol.Biol. Rev. 2013,77, 1–52.

[2] Z-h Chen, P. Shaap, Nature2012, 488,680–683.

[3] J. Wu et al., Science 2013,339, 826–830.

[4] P. Gao et al., Cell 2013, 153,1094–1107.

[5] F. Civril et al., Nature 2013,498, 332–337.

[6] J. Donovan et al.,Proc. Natl. Acad.Sci. U.S.A. 2013,110, 1652–1657.

[7] N. Gehrke et al.,Immunity 2013,39, 482–495.