Science：张锋教授新成果！在微生物中首次发现新的防御系统

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细菌使用多种防御策略来抵御病毒感染，其中的一些策略已经导致了突破性的技术，如基于CRISPR的基因编辑。科学家们预测，在微生物世界中还有许多抗病毒武器有待发现。

在一项新的研究中，来自美国布罗德研究所和麻省理工学院的研究人员发现了这些未开发的微生物防御系统之一，并确定了它的特征。他们发现，细菌和古生菌（合称原核生物）中的某些蛋白以令人惊讶的直接方式检测病毒，识别病毒的关键部分并导致这些受感染的单细胞生物“自杀”，以抑制微生物群落中的感染。这项研究是第一次在原核生物中看到这种机制，并表明所有三个生命领域的生物–细菌、古生菌和真核生物（包括植物和动物）—都使用保守的病毒蛋白的模式识别来抵御病原体。

相关研究结果发表在2022年8月12日的Science期刊上，论文标题为“Prokaryotic innate immunity through pattern recognition of conserved viral proteins”。

论文通讯作者、布罗德研究所核心成员和麻省理工学院麦戈文研究所研究员张锋（Feng Zhang）教授说，“这项新的研究展示了模式识别如何在非常不同的生物中出现显著的统一性。在一项研究中整合遗传学、生物信息学、生物化学和结构生物学方法，以了解这个迷人的分子系统，这是非常令人兴奋的。”

微生物武器库

在先前的研究中，这些作者扫描了数十万个细菌和古生菌的DNA序列数据，发现了几千个蕴含微生物防御特征的基因。在这项新的研究中，他们集中研究了这些基因中的少数编码酶的基因，这些酶是STAND ATPase蛋白家族的成员。在真核生物中，这个蛋白家族中的成员参与先天免疫反应。

在人类和植物中，STAND ATPase蛋白通过识别病原体本身的模式或细胞对感染的反应来对抗感染。在这项新的研究中，这些作者想知道这些蛋白是否在原核生物中以同样的方式发挥作用来抵御感染。他们从先前的研究中选择了几个STAND ATPase基因，将它们递送到细菌细胞中，并用噬菌体病毒攻击这些细胞。这些细胞经历了显著的防御反应并存活下来。

这些作者接下来想知道噬菌体的哪一部分触发了这种防御反应，因此他们将噬菌体基因一次一个地递送到细菌中。有两种病毒蛋白引起了免疫反应：portal蛋白，它是包含病毒DNA的病毒衣壳的一部分；末端酶（terminase），它是通过将病毒DNA推入病毒衣壳来协助病毒组装的分子马达。这两种病毒蛋白中的每一种都激活了不同的STAND ATP酶来保护细菌细胞。

这一发现是惊人的，也是前所未有的。大多数已知的细菌防御系统通过感知病毒的DNA或RNA，或因感染而产生的细胞应激来发挥作用。这些细菌蛋白却直接感应到了病毒的关键部分。

这些作者接下来发现，细菌STAND ATP酶蛋白可以识别来自不同噬菌体的不同portal蛋白和末端酶。论文共同第一作者、张锋实验室前研究生Linyi Gao说，“令人惊讶的是，细菌有这些高度通用的传感蛋白，可以识别它们可能遇到的各种不同的噬菌体威胁。”

图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abm4096。

他们还发现，这些蛋白具有DNA内切酶的功能，可以切断细菌自身的DNA并杀死受感染的细菌细胞，以限制病毒的进一步传播。同样，在人类中，STAND ATP酶也通过引起受感染细胞的程序化死亡来应对细菌感染。论文共同第一作者、张锋实验室博士后研究员Jonathan Strecker说，“看到原核生物和我们体内的系统之间的联系是非常令人兴奋的。”

结构分析

为了详细了解微生物STAND ATP酶如何检测病毒蛋白，这些作者使用低温电镜来研究它们与病毒蛋白结合时的分子结构。论文共同第一作者、张锋实验室博士后研究员Max Wilkinson说，“通过分析结构，我们能够精确地回答很多关于它们实际上如何发挥作用的问题。”

这些作者观察到，病毒的portal蛋白或末端酶可以装入STAND ATPase蛋白的一个口袋中，每个STAND ATPase蛋白抓取一个病毒蛋白。然后，STAND ATPase蛋白以四聚体的形式组合在一起，这使得这些细菌蛋白的关键部分—效应结构域（effector domain）–聚集在一起。这激活了这些细菌蛋白的内切酶功能，粉碎了细胞DNA并杀死了受感染的细菌。

这些四聚体与来自其他噬菌体的病毒蛋白结合得同样紧密，这就表明STAND ATPase感知病毒蛋白的三维形状，而不是它们的序列。这有助于解释为什么一种STAND ATPase可以识别几十种不同的病毒蛋白。Wilkinson说，“不管序列如何，它们都像手套里的手一样合适。”

人类和植物中的STAND ATPase也通过形成多亚基复合物来发挥作用，这些多亚基复合物激活了细胞中的特定功能。Strecker说，“这是这项新研究最令人兴奋的部分。在每个生命领域看到这一点是史无前例的。” 

参考资料：

• Linyi Alex Gao et al. Prokaryotic innate immunity through pattern recognition of conserved viral proteins. Science, 2022, doi:10.1126/science.abm4096.

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本篇文章来源于微信公众号:药时代