Cytosolic DNA arising from intracellular pathogens triggers a powerful innate immune response. It is sensed by cyclic GMP–AMP synthase (cGAS), which elicits the production of type I interferons by generating the second messenger 2′3′-cyclic-GMP–AMP (cGAMP). Endogenous nuclear or mitochondrial DNA can also be sensed by cGAS under certain conditions, resulting in sterile inflammation. The cGAS dimer binds two DNA ligands shorter than 20 base pairs side-by-side, but 20-base-pair DNA fails to activate cGAS in vivo and is a poor activator in vitro. Here we show that cGAS is activated in a strongly DNA length-dependent manner both in vitro and in human cells. We also show that cGAS dimers form ladder-like networks with DNA, leading to cooperative sensing of DNA length: assembly of the pioneering cGAS dimer between two DNA molecules is ineffective; but, once formed, it prearranges the flanking DNA to promote binding of subsequent cGAS dimers. Remarkably, bacterial and mitochondrial nucleoid proteins HU and mitochondrial transcription factor A (TFAM), as well as high-mobility group box 1 protein (HMGB1), can strongly stimulate long DNA sensing by cGAS. U-turns and bends in DNA induced by these proteins pre-structure DNA to nucleate cGAS dimers. Our results suggest a nucleation-cooperativity-based mechanism for sensitive detection of mitochondrial DNA and pathogen genomes, and identify HMGB/TFAM proteins as DNA-structuring host factors. They provide an explanation for the peculiar cGAS dimer structure and suggest that cGAS preferentially binds incomplete nucleoid-like structures or bent DNA.

中文翻译：

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cGAS 通过形成蛋白质-DNA 梯子来感知长的和 HMGB/TFAM 结合的 U 形转 DNA

细胞内病原体产生的胞质 DNA 会触发强大的先天免疫反应。它由环 GMP-AMP 合酶 (cGAS) 感知，该酶通过产生第二信使 2'3'-环-GMP-AMP (cGAMP) 引发 I 型干扰素的产生。在某些条件下，cGAS 也可以感知内源性核或线粒体 DNA，从而导致无菌炎症。cGAS 二聚体并排结合两个短于 20 个碱基对的 DNA 配体，但 20 个碱基对的 DNA 无法在体内激活 cGAS，并且在体外是一种较差的激活剂。在这里，我们表明 cGAS 在体外和人类细胞中都以强烈的 DNA 长度依赖性方式被激活。我们还表明 cGAS 二聚体与 DNA 形成梯状网络，导致 DNA 长度的协同感知：在两个 DNA 分子之间组装开创性的 cGAS 二聚体是无效的；但，一旦形成，它就会预先安排侧翼 DNA 以促进后续 cGAS 二聚体的结合。值得注意的是，细菌和线粒体类核蛋白 HU 和线粒体转录因子 A (TFAM) 以及高迁移率组框 1 蛋白 (HMGB1) 可以强烈刺激 cGAS 对长 DNA 的感知。由这些蛋白质诱导的 DNA 的 U 形转弯和弯曲使 DNA 预结构化，使 cGAS 二聚体成核。我们的结果表明了一种基于成核协同性的机制，用于灵敏检测线粒体 DNA 和病原体基因组，并将 HMGB/TFAM 蛋白鉴定为 DNA 结构宿主因子。他们为奇特的 cGAS 二聚体结构提供了解释，并表明 cGAS 优先结合不完整的类核结构或弯曲的 DNA。细菌和线粒体类核蛋白 HU 和线粒体转录因子 A (TFAM) 以及高迁移率组框 1 蛋白 (HMGB1) 可以强烈刺激 cGAS 对长 DNA 的感知。由这些蛋白质诱导的 DNA 的 U 形转弯和弯曲使 DNA 预结构化，使 cGAS 二聚体成核。我们的结果表明了一种基于成核协同性的机制，用于灵敏检测线粒体 DNA 和病原体基因组，并将 HMGB/TFAM 蛋白鉴定为 DNA 结构宿主因子。他们为奇特的 cGAS 二聚体结构提供了解释，并表明 cGAS 优先结合不完整的类核结构或弯曲的 DNA。细菌和线粒体类核蛋白 HU 和线粒体转录因子 A (TFAM) 以及高迁移率组框 1 蛋白 (HMGB1) 可以强烈刺激 cGAS 对长 DNA 的感知。由这些蛋白质诱导的 DNA 的 U 形转弯和弯曲使 DNA 预结构化，使 cGAS 二聚体成核。我们的结果表明了一种基于成核协同性的机制，用于灵敏检测线粒体 DNA 和病原体基因组，并将 HMGB/TFAM 蛋白鉴定为 DNA 结构宿主因子。他们为奇特的 cGAS 二聚体结构提供了解释，并表明 cGAS 优先结合不完整的类核结构或弯曲的 DNA。由这些蛋白质诱导的 DNA 的 U 形转弯和弯曲使 DNA 预结构化，使 cGAS 二聚体成核。我们的结果表明了一种基于成核协同性的机制，用于灵敏检测线粒体 DNA 和病原体基因组，并将 HMGB/TFAM 蛋白鉴定为 DNA 结构宿主因子。他们为奇特的 cGAS 二聚体结构提供了解释，并表明 cGAS 优先结合不完整的类核结构或弯曲的 DNA。由这些蛋白质诱导的 DNA 的 U 形转弯和弯曲使 DNA 预结构化，使 cGAS 二聚体成核。我们的结果表明了一种基于成核协同性的机制，用于灵敏检测线粒体 DNA 和病原体基因组，并将 HMGB/TFAM 蛋白鉴定为 DNA 结构宿主因子。他们为奇特的 cGAS 二聚体结构提供了解释，并表明 cGAS 优先结合不完整的类核结构或弯曲的 DNA。