Immunity: ABCC1在感染和肿瘤免疫靶向研究中的新突破 | Cell Press论文速递

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1月6日，来自美国德克萨斯农工大学生物化学与生物物理学系的Pingwei L教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Immunity在线发表了一篇题为“Structures of ATP-binding cassette transporter ABCC1 reveal the molecular basis of cyclic dinucleotide cGAMP export”的研究性论文，该文章揭示了人类ABCC1在无配体状态和与cGAMP结合状态下的冷冻电镜（cryo-EM）结构，为ABCC1作为cGAMP外排蛋白的结构和功能提供了深入的见解，并为未来在感染和抗癌免疫中靶向ABCC1的研究奠定了基础。

环状GMP-AMP合成酶（cGAS）-干扰素基因刺激因子（STING）通路是一个关键的双链DNA感应机制，在哺乳动物细胞中诱导先天免疫反应。在该通路中，cGAS结合双链DNA并变得催化活跃，合成环状GMP-AMP（cGAMP），这是STING的强效激动剂。结合配体后，STING发生寡聚化并通过其C端尾部的保守PLPLRTD或PLPLRSD基序招募TANK结合激酶1（TBK1）。TBK1通过诱导的近距离作用被激活，并磷酸化STING的pLxIS基序（p为亲水性残基；x为任意残基；S为磷酸化位点），该基序介导IFN调节因子3（IRF3）向信号中枢的招募。IRF3和TBK1在信号中枢的近距离作用促进了IRF3的磷酸化和激活。激活的IRF3转运到细胞核并诱导I型干扰素的表达。

研究表明，恶性细胞释放cGAMP，cGAMP易被外切核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶1（ENPP1）降解。cGAMP可以通过间隙连接绕过ENPP1的降解，但无法被动地穿越细胞膜。近期在人类和小鼠细胞中的研究已发现ATP结合盒（ABC）C亚家族成员1（ABCC1）是一个直接的ATP依赖性cGAMP外排泵。这些研究还表明，细胞内源性的STING反应受限于ABCC1介导的cGAMP外排。外排的cGAMP可以通过SLC19A1和SLC46A2等进口蛋白被旁观细胞吸收，导致未感染细胞中STING信号通路的激活。近期关于SLC19A1与cGAMP复合物的结构研究提供了cGAMP进入细胞机制的见解。然而，ABCC1介导的cGAMP外排机制仍未完全明确。

首先，通过在HEK293T细胞中转染hABCC1质粒，研究人员测量了细胞内外cGAMP的分布，发现转染hABCC1的细胞中胞外cGAMP比例显著高于空载体对照组。这一现象表明，hABCC1能够有效地将cGAMP从细胞内转运到胞外。此外，IFN-β荧光素酶报告基因实验进一步证实了这一功能：当hABCC1介导cGAMP外排后，STING介导的信号传导显著减少。这些结果表明，ABCC1在STING信号的调控中发挥了重要作用，且其功能与cGAMP的转运密切相关（图1）。

图1 hABCC1 的体内和体外特性研究

为了深入研究hABCC1的结构特性，研究团队采用冷冻电镜技术解析了其在配体结合前后的结构状态。结果显示，hABCC1以二聚体形式存在，其二聚化由N端跨膜域（TMD0）介导。TMD0的结构与对面的原体核心转运域发生相互作用，而这种相互作用在特定氨基酸残基的支持下得以实现。例如，P1120位点的突变（如P1120F或P1120A）显著削弱了hABCC1的二聚能力，导致胞外cGAMP水平下降，并伴随STING信号的增强。这些发现表明，TMD0的完整性和二聚化对于hABCC1介导的cGAMP外排至关重要（图2）。

图2  hABCC1 的二聚化界面

冷冻电镜结构还揭示了hABCC1的核心结构，包括两个跨膜域（TMD1和TMD2）和两个核苷酸结合域（NBD1和NBD2）。在未结合底物时，hABCC1以内向构象存在，其两个NBD分离较远，而cGAMP结合后，则诱导NBD1和NBD2靠近并形成二聚。这种构象变化是hABCC1执行转运功能的基础。通过对TMD1和TMD2的详细分析，研究人员进一步发现了cGAMP的结合位点，位于两个跨膜域之间。这一结合位点由P位点和H位点组成，其中P位点富含正电荷残基（如R1197和R1249），专门识别cGAMP的磷酸二酯基团，而H位点则包含疏水残基（如F594和Y440），围绕cGAMP的核苷酸碱基。这一双分区结合模式解释了hABCC1能够选择性识别和结合cGAMP的机制（图3）。

图3  cGAMP 结合位点的结构

此外，实验表明，cGAMP结合不仅是外排过程的必要步骤，还能够激活hABCC1的ATP酶活性。ATP的结合与水解为cGAMP的转运提供能量，这一过程依赖于关键残基E1455的催化功能。当E1455突变为非催化残基时，hABCC1的ATP酶活性被完全抑制，cGAMP的外排也随之终止。结合冷冻电镜结构和ATP酶实验，研究团队提出了hABCC1介导cGAMP转运的分子模型：在未结合状态下，hABCC1以内向构象存在；cGAMP结合后，引发NBD1和NBD2靠近并对齐，为ATP结合和水解创造条件；ATP的水解促使跨膜域重新排列至外向构象，将cGAMP转运到胞外（图4）。

图4 配体结合位点的突变降低了cGAMP的外排

总之，这项研究系统解析了hABCC1的蛋白结构，为理解cGAMP在先天免疫信号调控中的转运提供了重要线索。hABCC1通过其双分区结合位点选择性识别cGAMP，并依赖ATP水解驱动其外排。这一发现不仅深化了我们对ABCC1结构与功能关系的认识，还为开发针对ABCC1的免疫调控或抗癌药物提供了理论基础。

相关论文信息

相关论文刊载于Cell Press细胞出版社

旗下期刊Immunity上，

▌论文标题：

Structures of ATP-binding cassette transporter ABCC1 reveal the molecular basis of cyclic dinucleotide cGAMP export

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1074761324005661

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.immuni.2024.12.002

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