Science：張鋒團隊發現細菌新型抗病毒系統，將病原體特異性識別模式擴充套件到所有生命

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撰文｜nagashi

編輯｜王多魚

排版｜水成文

顛覆認知！細菌和古菌也存在先天免疫系統！張鋒團隊最新Science研究揭示原核先天免疫的具體機制！

在自然界中，病毒、細菌無處不在，為了應對無孔不入的病菌，真核生物進化出專門的免疫模式識別受體，包括STAND超家族的核苷酸結合寡聚結構域樣受體（NLR），這些先天免疫系統廣泛存在於植物、動物和真菌中。

值得注意的是，細菌並不總是侵略者，它們也會面臨來自噬菌體的侵害。因此，細菌也會使用多種防禦策略來抵抗病毒感染，其中一些系統已經產生了突破性的技術，例如基於細菌和古菌抗病毒系統CRISPR的基因編輯技術。科學家們預測，在微生物世界中還有更多的抗病毒武器有待發現。

除此之外，細菌是否也進化出類似於真核生物先天免疫系統的防禦機制呢？

2022年8月12日，張鋒教授團隊在 Science 發表了題為：Prokaryotic innate immunity through pattern recognition of conserved viral proteins（透過保守病毒蛋白模式識別的原核先天免疫）的研究論文。

該研究表明，在細菌和古菌（統稱為原核生物）中，與真核生物NLR類似的先天免疫系統也很普遍，這些NLR樣基因共有4個家族，是兩個高度保守的噬菌體蛋白的特異性感測器。與目標結合時，這些NLRs啟用不同的效應域，切割雙鏈DNA，誘導細菌死亡，以防止噬菌體的傳播。

這項研究發現了細菌和古菌能夠透過直接檢測入侵病毒的關鍵蛋白並導致“自殺”，從而平息病毒在微生物群落中的傳播，這也是首次在原核生物鐘發現這種機制，該研究發現了涵蓋了細菌、古菌和真核生物這三域的所有生命都在使用的病原體特異性識別模式。

張鋒教授，這項工作展示了模式識別如何在非常不同的生物體中發生著顯著統一，將遺傳學、生物資訊學、生物化學和結構生物學方法整合到一項研究中以瞭解這個迷人的分子系統是非常令人興奮的。

在此之前，張鋒團隊已經發現了一組細菌和古細菌的STAND核苷三磷酸酶（NTPases），稱為Avs（antiviral STAND）。與真和NLR一樣，Avs蛋白具有典型的三種結構域，包括一箇中心NTPase、一個擴充套件的C端感測器和一個N端效應器。

然而，對於Avs蛋白透過何種機制保護細菌免受有尾噬菌體的攻擊，仍不清楚。因此，在這項發表於 Science 上的最新研究中，張鋒團隊進一步解析了這些Avs蛋白的具體防禦機制。

原核生物存在與真核生物NLR類似的先天免疫系統

透過在大腸桿菌中的基因篩選，研究團隊鑑定到4個Avs家族（Avs1/2/3/4），並發現它們可以感應噬菌體感染過程中表達的標誌性病毒蛋白。例如，Avs1到Avs3識別大終止酶亞基（terminase），Avs4識別門戶蛋白（portal），這兩種蛋白質共同構成了有尾噬菌體的保守DNA包裝機制。

研究團隊發現，Avs蛋白及其同源靶蛋白在大腸桿菌中共表達導致細胞死亡，以防止噬菌體在種群內的傳播。

Avs蛋白識別噬菌體的標誌性病毒蛋白

緊接著，張鋒團隊在體外重組了Avs活性，重點研究了沙門氏菌（SeAvs3）和大腸桿菌（EcAvs4）的Avs活性，這兩種菌株都含有N端PD-DExK核酸酶效應子。在同源靶基因存在的情況下，沙門氏菌和大腸桿菌的Avs蛋白介導了雙鏈DNA的降解，但單鏈DNA和RNA底物未發生裂解。值得一提的是，這種核酸酶活性需要Mg2+和ATP的存在，但ATP的水解並不是嚴格要求的。

SeAvs3和EcAvs4是噬菌體啟用的雙鏈DNA內切酶

不僅如此，研究團隊還確定了SeAvs3-terminase和EcAvs4-portal複合物的冷凍電子顯微鏡結構，揭示了兩者都形成四聚體，結合是由形狀互補的擴充套件介面介導的，其中每個Avs亞基的C端感測器域結合單個靶蛋白。此外，SeAvs3可以直接識別終止酶活性位點殘基及其ATP配體。SeAvs3和EcAvs4的四聚化是由它們的STAND ATP酶結構域介導的，並允許N端核酸酶採用活性二聚體構型。

SeAvs3-terminase和EcAvs4-portal複合物的冷凍電子顯微鏡結構

最後，Avs蛋白的生物資訊學分析顯示，至少有18種不同的N端效應子在Avs同源基因之間模組交換，並且Avs基因廣泛分佈在細菌和古菌的各個門，這很可能是廣泛的水平基因轉移導致的。

Avs基因在原核生物中廣泛分佈

更有趣的是，研究團隊還發現，噬菌體也會“還以顏色”——透過編碼和表達Avs的抑制蛋白，突出了原核生物和病毒之間的廣泛軍備競賽，可謂“道高一尺，魔高一丈”。

噬菌體編碼和表達Avs抑制蛋白，抵抗原核生物的先天免疫系統

總的來說，這項 Science 研究表明，細菌和古菌中也存在類似於真核生物NLR的、針對噬菌體的防禦蛋白——Avs家族。Avs蛋白可以識別噬菌體的標誌性病毒蛋白的保守摺疊，並組裝成四聚體，啟用不同的N端效應子，切割雙鏈DNA，誘導細菌死亡，從而阻止噬菌體的傳播。

Avs蛋白的防禦機制強調了原核生物和真核生物防禦策略的相似性，並將病原體特異性蛋白的免疫模式識別機制擴充套件到生命的所有三個域（細菌、古菌、真核生物），為先天免疫的基礎研究打開了新的大門。

論文連結：

https：//www。science。org/doi/10。1126/science。abm4096