生物物理所最新PNAS文章
生物通报道：中科院生物物理研究所，加州大学洛杉矶分校的研究人员首次揭示STAT6对N4位点DNA的识别机制，解决了过去10多年来一直没解决的一个重要科学问题。
这一研究成果公布在11月1日的《美国科学院院刊》（PNAS）杂志上，研究工作主要由生物物理所刘志杰课题组博士生李静和美国UCLA程根宏课题组博士后Jose Pindado共同完成，研究员欧阳松应为本文通讯作者。
人类的病毒性感染十分普遍，多数为隐性感染而不易被发现，如成人几乎都感染过单纯疱疹病毒；少数则发生显性感染，可引起突发性或慢性传染病，如病毒性肝炎、艾滋病，近期在西非发生的埃博拉出血热等。病毒与宿主在长期进化过程中相互作用引发机体出现了复杂而精细的免疫机制，天然免疫反应就是宿主抵抗病毒感染的第一道屏障。天然免疫如同机体的眼睛，监视与识别各种外来微生物入侵。机体通过启动免疫反应，引发一系列抗病毒基因表达，最终利用炎症反应来清除感染，了解这一分子基础是天然免疫研究的重要内容。
2011年，北京大学教授蒋争凡课题组通过cDNA表达文库的功能性筛选，发现了通过STING-TBK1可以激活原本在适应性免疫中发挥重要功能的转录因子STAT6（signal transducer and activator of transcription 6），揭示其在抗病毒天然免疫通路中也有重要作用。其研究从分子、细胞到动物整体多个层次揭示了转录因子STAT6在机体天然免疫和适应性免疫中发挥双重作用的分子机制，研究结果将为STING介导的宿主天然免疫反应提供新的补充，为人类对病毒感染导致的自身免疫性疾病、多器官慢性炎症的诊治和抗御病原微生物感染的分子机制研究提供新思路。
STING有关的信号通路一直是研究人员关注的领域，STAT6因与STING有相互作用引起研究人员的注意。此前报道STAT6作为信号转导及转录激活因子家族中的一员，参与到JAK-STAT信号通路，受到IL-4/IL-13的调控，将信号从细胞膜传递到细胞核并激活下游一系列基因的转录表达，在Th2细胞的分化过程中起到关键作用。STAT6表达与炎症和多种肿瘤关系密切，可能成为新的肿瘤标志物，检测STAT6分子具有重要临床意义，可以作为判断预后的指标和治疗的新靶点，筛选出该通路的抑制分子就可能成为STAT6通路的异常所致疾病的潜在预防和治疗的作用药物。STAT6家族蛋白作为转录因子首先在胞质中磷酸化后形成二聚体，二聚体的STAT6进入细胞核并识别和结合靶基因启动子区域启动一系列基因表达。STAT家族蛋白识别相似的DNA序列，其基本结构为TTCN3/4GAA，但是不同的STAT蛋白所识别的DNA回文序列的中间间隔区长度不同。
在哺乳动物STAT家族中，STAT6是唯一一个主要识别N4位点启动子（TTCN4GAA）的家族成员，而其他STAT家族蛋白以识别N3位点启动子（TTCN3GAA）为主。对于这种对DNA识别差异的结构基础，至今仍缺乏比较合理的机制阐述，尤其STAT6对N4位点DNA的识别机制是过去10多年一直没解决的一个重要科学问题。
这项最新研究采用结构生物学方法解析了STAT6核心区的磷酸化二聚体晶体结构，同时完成其与N4位点DNA和N3位点DNA两个复合物三维精细结构的解析工作，这是其它STAT家族蛋白中从来没有过的，因此研究人员有足够的结构资源进行结构分析。STAT6核心区的磷酸化二聚体结构与其它已解析STAT蛋白结构采用相似机制形成“V”字形。
研究人员通过结构比对发现，结合核酸以后，STAT6二聚体发生一个明显的旋转型的构象变化，同时发现结合N4位点DNA和N3位点DNA后STAT6关键氨基酸H415在DNA双螺旋轴方向的位置变化距离与DNA双螺旋中相邻2个碱基之间的垂直距离（approximately 3.4 Å rise/bp along the axis of a B-DNA double helix）相符。这部分工作是在STAT蛋白家族中首次针对同一STAT蛋白观察到结合DNA前后的构象变化。分子动力学模拟以及小角散射实验的结果都证明了STAT6的构象在DNA结合后处于更稳定的状态。通过与其它已报道STAT蛋白结构比较发现，STAT6磷酸化二聚体中“V”形的夹角比其它STAT蛋白要大一些，导致二聚体结构中的两个分子之间的动态变化范围更广。
同时研究人员发现，STAT6 DNA结合结构域上的H415是唯一与DNA碱基直接相互作用的氨基酸，这引起研究人员的关注。序列分析发现除STAT5以外，在其它STAT蛋白上H415所对应的氨基酸是N(Asn)。体外实验发现，STAT6的H415突变成N后识别N4位点DNA的能力明显下降而识别N3位点DNA的能力上升，而将STAT1上相应的氨基酸N460突变成H后识别N3位点DNA的能力明显下降而识别N4位点DNA的能力上升。细胞水平实验也证明STAT6的H415对STAT6特异性结合N4位点DNA具有关键作用。STAT5不能广泛识别N4位点DNA可能是因为一方面STAT5二聚体夹角稍小，另一方面H471的侧链伸展方向与STAT6的H415不同。
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原文摘要：
Structural basis for DNA recognition by STAT6
STAT6 participates in classical IL-4/IL-13 signaling and stimulator of interferon genes-mediated antiviral innate immune responses. Aberrations in STAT6-mediated signaling are linked to development of asthma and diseases of the immune system. In addition, STAT6 remains constitutively active in multiple types of cancer. Therefore, targeting STAT6 is an attractive proposition for treating related diseases. Although a lot is known about the role of STAT6 in transcriptional regulation, molecular details on how STAT6 recognizes and binds specific segments of DNA to exert its function are not clearly understood. Here, we report the crystal structures of a homodimer of phosphorylated STAT6 core fragment (STAT6CF) alone and bound with the N3 and N4 DNA binding site. Analysis of the structures reveals that STAT6 undergoes a dramatic conformational change on DNA binding, which was further validated by performing molecular dynamics simulation studies and small angle X-ray scattering analysis. Our data show that a larger angle at the intersection where the two protomers of STAT meet and the presence of a unique residue, H415, in the DNA-binding domain play important roles in discrimination of the N4 site DNA from the N3 site by STAT6. H415N mutation of STAT6CF decreased affinity of the protein for the N4 site DNA, but increased its affinity for N3 site DNA, both in vitro and in vivo. Results of our structure–function studies on STAT6 shed light on mechanism of DNA recognition by STATs in general and explain the reasons underlying STAT6’s preference for N4 site DNA over N3.
