Activation of cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) through sensing cytosolic double stranded DNA (dsDNA) plays a pivotal role in innate immunity against exogenous infection as well as cellular regulation under stress. Aberrant activation of cGAS induced by self-DNA is related to autoimmune diseases. cGAS accumulates at chromosomes during mitosis or spontaneously in the nucleus. Binding of cGAS to the nucleosome competitively attenuates the dsDNA-mediated cGAS activation, but the molecular mechanism of the attenuation is still poorly understood. Here, we report two cryo-electron microscopy structures of cGAS–nucleosome complexes. The structures reveal that cGAS interacts with the nucleosome as a monomer, forming 1:1 and 2:2 complexes, respectively. cGAS contacts the nucleosomal acidic patch formed by the H2A–H2B heterodimer through the dsDNA-binding site B in both complexes, and could interact with the DNA from the other symmetrically placed nucleosome via the dsDNA-binding site C in the 2:2 complex. The bound nucleosome inhibits the activation of cGAS through blocking the interaction of cGAS with ligand dsDNA and disrupting cGAS dimerization. R236A or R255A mutation of cGAS impairs the binding between cGAS and the nucleosome, and largely relieves the nucleosome-mediated inhibition of cGAS activity. Our study provides structural insights into the inhibition of cGAS activity by the nucleosome, and advances the understanding of the mechanism by which hosts avoid the autoimmune attack caused by cGAS.

通过感知胞质双链 DNA (dsDNA) 激活环 GMP-AMP 合酶 (cGAS) 在针对外源性感染的先天免疫以及压力下的细胞调节中起关键作用。由自身 DNA 诱导的 cGAS 的异常激活与自身免疫性疾病有关。cGAS 在有丝分裂期间或自发地在细胞核中积累在染色体上。cGAS 与核小体的结合竞争性地减弱了 dsDNA 介导的 cGAS 激活，但对减弱的分子机制仍知之甚少。在这里，我们报告了 cGAS-核小体复合物的两种冷冻电子显微镜结构。这些结构表明 cGAS 作为单体与核小体相互作用，分别形成 1:1 和 2:2 的复合物。cGAS 通过两个复合物中的 dsDNA 结合位点 B 接触由 H2A-H2B 异源二聚体形成的核小体酸性斑块，并且可以通过 2:2 复合物中的 dsDNA 结合位点 C 与来自另一个对称放置的核小体的 DNA 相互作用。结合的核小体通过阻断 cGAS 与配体 dsDNA 的相互作用和破坏 cGAS 二聚化来抑制 cGAS 的活化。cGAS 的 R236A 或 R255A 突变削弱了 cGAS 与核小体之间的结合，并在很大程度上减轻了核小体介导的 cGAS 活性抑制。我们的研究提供了对核小体对 cGAS 活性抑制的结构见解，并促进了对宿主避免由 cGAS 引起的自身免疫攻击的机制的理解。并且可以通过 2:2 复合物中的 dsDNA 结合位点 C 与来自另一个对称放置的核小体的 DNA 相互作用。结合的核小体通过阻断 cGAS 与配体 dsDNA 的相互作用和破坏 cGAS 二聚化来抑制 cGAS 的活化。cGAS 的 R236A 或 R255A 突变削弱了 cGAS 与核小体之间的结合，并在很大程度上减轻了核小体介导的 cGAS 活性抑制。我们的研究提供了对核小体对 cGAS 活性抑制的结构见解，并促进了对宿主避免由 cGAS 引起的自身免疫攻击的机制的理解。并且可以通过 2:2 复合物中的 dsDNA 结合位点 C 与来自另一个对称放置的核小体的 DNA 相互作用。结合的核小体通过阻断 cGAS 与配体 dsDNA 的相互作用和破坏 cGAS 二聚化来抑制 cGAS 的活化。cGAS 的 R236A 或 R255A 突变削弱了 cGAS 与核小体之间的结合，并在很大程度上减轻了核小体介导的 cGAS 活性抑制。我们的研究提供了对核小体对 cGAS 活性抑制的结构见解，并促进了对宿主避免由 cGAS 引起的自身免疫攻击的机制的理解。cGAS 的 R236A 或 R255A 突变削弱了 cGAS 与核小体之间的结合，并在很大程度上减轻了核小体介导的 cGAS 活性抑制。我们的研究提供了对核小体对 cGAS 活性抑制的结构见解，并促进了对宿主避免由 cGAS 引起的自身免疫攻击的机制的理解。cGAS 的 R236A 或 R255A 突变削弱了 cGAS 与核小体之间的结合，并在很大程度上减轻了核小体介导的 cGAS 活性抑制。我们的研究提供了对核小体对 cGAS 活性抑制的结构见解，并促进了对宿主避免由 cGAS 引起的自身免疫攻击的机制的理解。