Summary

 Recent studies identified cyclic GMP-AMP (cGAMP) as a metazoan second messenger triggering an interferon response. cGAMP is generated from GTP and ATP by cytoplasmic dsDNA sensor cGAMP synthase (cGAS). We combined structural, chemical, biochemical, and cellular assays to demonstrate that this second messenger contains G(2′,5′)pA and A(3′,5′)pG phosphodiester linkages, designated c[G(2′,5′)pA(3′,5′)p]. We show that, upon dsDNA binding, cGAS is activated through conformational transitions, resulting in formation of a catalytically competent and accessible nucleotide-binding pocket for generation of c[G(2′,5′)pA(3′,5′)p]. We demonstrate that cyclization occurs in a stepwise manner through initial generation of 5′-pppG(2′,5′)pA prior to cyclization to c[G(2′,5′)pA(3′,5′)p], with the latter positioned precisely in the catalytic pocket. Mutants of cGAS dsDNA-binding or catalytic pocket residues exhibit reduced or abrogated activity. Our studies have identified c[G(2′,5′)pA(3′,5′)p] as a founding member of a family of metazoan 2′,5′-containing cyclic heterodinucleotide second messengers distinct from bacterial 3′,5′ cyclic dinucleotides.

Fragile X syndrome (FXS) is a multi-organ disease that leads to mental retardation, macro-orchidism in males and premature ovarian insufficiency in female carriers. FXS is also a prominent monogenic disease associated with autism spectrum disorders (ASDs). FXS is typically caused by the loss of fragile X mental retardation 1 (FMR1) expression, which codes for the RNA-binding protein FMRP. Here we report the discovery of distinct RNA-recognition elements that correspond to the two independent RNA-binding domains of FMRP, in addition to the binding sites within the messenger RNA targets for wild-type and I304N mutant FMRP isoforms and the FMRP paralogues FXR1P and FXR2P (also known as FXR1 and FXR2). RNA-recognition-element frequency, ratio and distribution determine target mRNA association with FMRP. Among highly enriched targets, we identify many genes involved in ASD and show that FMRP affects their protein levels in human cell culture, mouse ovaries and human brain. Notably, we discovered that these targets are also dysregulated in Fmr1−/− mouse ovaries showing signs of premature follicular overdevelopment. These results indicate that FMRP targets share signalling pathways across different cellular contexts. As the importance of signalling pathways in both FXS and ASD is becoming increasingly apparent, our results provide a ranked list of genes as basis for the pursuit of new therapeutic targets for these neurological disorders. RNA-recognition elements are identified for the fragile-X-syndrome-associated RNA-binding protein FMRP, in addition to its target messenger RNAs; although many of FMRP gene targets discovered are involved in brain function and autism spectrum disorder, a proportion are also dysregulated in mouse ovaries, suggesting cross-regulation of signalling pathways in different tissues. Fragile X syndrome (FXS) is caused by mutations in the FMR1 gene, which encodes an RNA-binding protein called FMRP. This study from Thomas Tuschl's laboratory has now defined, on a genome-wide level, the targets bound by FMRP and by a disease-associated mutated version of FMRP. Although many of the top targets are involved in brain function and autism spectrum disorder, a surprising number of targets are also dysregulated in mouse ovaries, suggesting cross-regulation of signalling pathways in different tissues.

RNA-binding proteins coordinate the fates of multiple RNAs, but the principles underlying these global interactions remain poorly understood. We elucidated regulatory mechanisms of the RNA-binding protein HuR, by integrating data from diverse high-throughput targeting technologies, specifically PAR-CLIP, RIP-chip, and whole-transcript expression profiling. The number of binding sites per transcript, degree of HuR association, and degree of HuR-dependent RNA stabilization were positively correlated. Pre-mRNA and mature mRNA containing both intronic and 3' UTR binding sites were more highly stabilized than transcripts with only 3' UTR or only intronic binding sites, suggesting that HuR couples pre-mRNA processing with mature mRNA stability. We also observed HuR-dependent splicing changes and substantial binding of HuR in polypyrimidine tracts of pre-mRNAs. Comparison of the spatial patterns surrounding HuR and miRNA binding sites provided functional evidence for HuR-dependent antagonism of proximal miRNA-mediated repression. We conclude that HuR coordinates gene expression outcomes at multiple interconnected steps of RNA processing.

Binding of dsDNA by cyclic GMP-AMP (cGAMP) synthase (cGAS) triggers formation of the metazoan second messenger c[G(2′,5′)pA(3′,5′)p], which binds the signaling protein STING with subsequent activation of the interferon (IFN) pathway. We show that human hSTINGH232 adopts a “closed” conformation upon binding c[G(2′,5′)pA(3′,5′)p] and its linkage isomer c[G(2′,5′)pA(2′,5′)p], as does mouse mStingR231 on binding c[G(2′,5′)pA(3′,5′)p], c[G(3′,5′)pA(3′,5′)p] and the antiviral agent DMXAA, leading to similar “closed” conformations. Comparing hSTING to mSting, 2′,5′-linkage-containing cGAMP isomers were more specific triggers of the IFN pathway compared to the all-3′,5′-linkage isomer. Guided by structural information, we identified a unique point mutation (S162A) placed within the cyclic-dinucleotide-binding site of hSTING that rendered it sensitive to the otherwise mouse-specific drug DMXAA, a conclusion validated by binding studies. Our structural and functional analysis highlights the unexpected versatility of STING in the recognition of natural and synthetic ligands within a small-molecule pocket created by the dimerization of STING.

Cyclic dinucleotide (CDN) agonists of stimulator of interferon genes (STING) are a promising class of immunotherapeutics that activate innate immunity to increase tumour immunogenicity. However, the efficacy of CDNs is limited by drug delivery barriers, including poor cellular targeting, rapid clearance and inefficient transport to the cytosol where STING is localized. Here, we describe STING-activating nanoparticles (STING-NPs)—rationally designed polymersomes for enhanced cytosolic delivery of the endogenous CDN ligand for STING, 2′3′ cyclic guanosine monophosphate–adenosine monophosphate (cGAMP). STING-NPs increase the biological potency of cGAMP, enhance STING signalling in the tumour microenvironment and sentinel lymph node, and convert immunosuppressive tumours to immunogenic, tumoricidal microenvironments. This leads to enhanced therapeutic efficacy of cGAMP, inhibition of tumour growth, increased rates of long-term survival, improved response to immune checkpoint blockade and induction of immunological memory that protects against tumour rechallenge. We validate STING-NPs in freshly isolated human melanoma tissue, highlighting their potential to improve clinical outcomes of immunotherapy. Rationally designed polymer vesicles increase cytosolic delivery of cGAMP, activating the STING pathway and increasing the immunogenicity of the tumour microenvironment in in vivo murine models of melanoma and in human metastatic melanoma tissues.

Cyclic GMP-AMP synthase is essential for innate immunity against infection and cellular damage, serving as a sensor of DNA from pathogens or mislocalized self-DNA. Upon binding double-stranded DNA, cyclic GMP-AMP synthase synthesizes a cyclic dinucleotide that initiates an inflammatory cellular response. Mouse studies that recapitulate causative mutations in the autoimmune disease Aicardi-Goutières syndrome demonstrate that ablating the cyclic GMP-AMP synthase gene abolishes the deleterious phenotype. Here, we report the discovery of a class of cyclic GMP-AMP synthase inhibitors identified by a high-throughput screen. These compounds possess defined structure-activity relationships and we present crystal structures of cyclic GMP-AMP synthase, double-stranded DNA, and inhibitors within the enzymatic active site. We find that a chemically improved member, RU.521, is active and selective in cellular assays of cyclic GMP-AMP synthase-mediated signaling and reduces constitutive expression of interferon in macrophages from a mouse model of Aicardi-Goutières syndrome. RU.521 will be useful toward understanding the biological roles of cyclic GMP-AMP synthase and can serve as a molecular scaffold for development of future autoimmune therapies.Upon DNA binding cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) produces a cyclic dinucleotide, which leads to the upregulation of inflammatory genes. Here the authors develop small molecule cGAS inhibitors, functionally characterize them and present the inhibitor and DNA bound cGAS crystal structures, which will facilitate drug development.

RNA transcripts are subjected to post-transcriptional gene regulation by interacting with hundreds of RNA-binding proteins (RBPs) and microRNA-containing ribonucleoprotein complexes (miRNPs) that are often expressed in a cell-type dependently. To understand how the interplay of these RNA-binding factors affects the regulation of individual transcripts, high resolution maps of in vivo protein-RNA interactions are necessary. A combination of genetic, biochemical and computational approaches are typically applied to identify RNA-RBP or RNA-RNP interactions. Microarray profiling of RNAs associated with immunopurified RBPs (RIP-Chip) defines targets at a transcriptome level, but its application is limited to the characterization of kinetically stable interactions and only in rare cases allows to identify the RBP recognition element (RRE) within the long target RNA. More direct RBP target site information is obtained by combining in vivo UV crosslinking with immunoprecipitation followed by the isolation of crosslinked RNA segments and cDNA sequencing (CLIP). CLIP was used to identify targets of a number of RBPs. However, CLIP is limited by the low efficiency of UV 254 nm RNA-protein crosslinking, and the location of the crosslink is not readily identifiable within the sequenced crosslinked fragments, making it difficult to separate UV-crosslinked target RNA segments from background non-crosslinked RNA fragments also present in the sample. We developed a powerful cell-based crosslinking approach to determine at high resolution and transcriptome-wide the binding sites of cellular RBPs and miRNPs that we term PAR-CliP (Photoactivatable-Ribonucleoside-Enhanced Crosslinking and Immunoprecipitation) (see Fig. 1A for an outline of the method). The method relies on the incorporation of photoreactive ribonucleoside analogs, such as 4-thiouridine (4-SU) and 6-thioguanosine (6-SG) into nascent RNA transcripts by living cells. Irradiation of the cells by UV light of 365 nm induces efficient crosslinking of photoreactive nucleoside-labeled cellular RNAs to interacting RBPs. Immunoprecipitation of the RBP of interest is followed by isolation of the crosslinked and coimmunoprecipitated RNA. The isolated RNA is converted into a cDNA library and deep sequenced using Solexa technology. One characteristic feature of cDNA libraries prepared by PAR-CliP is that the precise position of crosslinking can be identified by mutations residing in the sequenced cDNA. When using 4-SU, crosslinked sequences thymidine to cytidine transition, whereas using 6-SG results in guanosine to adenosine mutations. The presence of the mutations in crosslinked sequences makes it possible to separate them from the background of sequences derived from abundant cellular RNAs. Application of the method to a number of diverse RNA binding proteins was reported in Hafner et al.

SUMMARY Upon detection of a pathogen, the innate immune system triggers signaling events leading to the transcription of mRNAs that encode for pro-inflammatory and anti-microbial effectors. RNA-binding proteins (RBPs) interact with these functionally critical mRNAs and temporally regulate their fates at the post-transcriptional level. One such RBP is ELAVL1, which is known to bind to introns and 3’UTRs. While significant progress has been made in understanding how ELAVL1 regulates mRNAs, how its target repertoire and binding affinity changes within an immunological context remains poorly understood. Here, we overlap four distinct high-throughput approaches to define its cell-type and context-dependent targets and determine its regulatory impact during immune activation. ELAVL1 overwhelmingly binds to intronic sites in a naïve state, but during an innate immune response, ELAVL1 targets the 3’UTR - binding both previously and newly expressed mRNAs. We find that ELAVL1 mediates the RNA stability of genes that regulate the pathways involved in pathogen sensing and cytokine production. Our findings reveal the importance of examining RBP regulatory impact under dynamic transcriptomic events to best understand their post-transcriptional regulatory roles within specific biological circuitries.

The cGAS-STING pathway is a major mechanism that mammalian cells utilize to detect cytoplasmic dsDNA from incoming viruses, bacteria, or self. CYCLIC GMP-AMP SYNTHASE (cGAS) is the sensor protein that directly binds dsDNAs. cGAS synthesizes cyclic GMP-AMP (cGAMP), which binds to the adaptor STIMULATOR OF INTERFERON GENES (STING), activating an INTERFERON REGULATORY FACTOR 3 (IRF3)-mediated immune response. Constitutive activation can result in interferonopathies such as Aicardi-Goutieres Syndrome (AGS) or other lupus-like autoimmune disorders. While inhibitors targeting mouse or human cGAS have been reported, the identification of a small molecule that targets both homologs of cGAS has been challenging. Here, we show that RU.521 is capable of potently and selectively inhibiting mouse and human cGAS in cell lines and human primary cells. This inhibitory activity requires the presence of cGAS, but it cannot suppress an immune response in cells activated by RNA, Toll-like receptor ligands, cGAMP, or recombinant interferon. Importantly, when RU.521 is applied to cells, the production of dsDNA-induced intracellular cGAMP is suppressed in a dose-dependent manner. Our work validates the use of RU.521 for probing DNA-induced innate immune responses and underscores its potential as an ideal scaffold towards pre-clinical development, given its potency against human and mouse cGAS.