Science:张锋团队发现细菌新型抗病毒系统,将病原体特异性识别模式扩展到所有生命

2022-08-15 传染科新前沿 “生物世界”公众号

在自然界中,病毒、细菌无处不在,为了应对无孔不入的病菌,真核生物进化出专门的免疫模式识别受体,包括STAND超家族的核苷酸结合寡聚结构域样受体(NLR),这些先天免疫系统广泛存在于植物、动物和真菌中。

颠覆认知!细菌和古菌也存在先天免疫系统!张锋团队最新Science研究揭示原核先天免疫的具体机制!

在自然界中,病毒、细菌无处不在,为了应对无孔不入的病菌,真核生物进化出专门的免疫模式识别受体,包括STAND超家族的核苷酸结合寡聚结构域样受体(NLR),这些先天免疫系统广泛存在于植物、动物和真菌中。

值得注意的是,细菌并不总是侵略者,它们也会面临来自噬菌体的侵害。因此,细菌也会使用多种防御策略来抵抗病毒感染,其中一些系统已经产生了突破性的技术,例如基于细菌和古菌抗病毒系统CRISPR的基因编辑技术。科学家们预测,在微生物世界中还有更多的抗病毒武器有待发现。

除此之外,细菌是否也进化出类似于真核生物先天免疫系统的防御机制呢?

2022年8月12日,张锋教授团队在 Science 发表了题为:Prokaryotic innate immunity through pattern recognition of conserved viral proteins(通过保守病毒蛋白模式识别的原核先天免疫)的研究论文。

该研究表明,在细菌和古菌(统称为原核生物)中,与真核生物NLR类似的先天免疫系统也很普遍,这些NLR样基因共有4个家族,是两个高度保守的噬菌体蛋白的特异性传感器。与目标结合时,这些NLRs激活不同的效应域,切割双链DNA,诱导细菌死亡,以防止噬菌体的传播。

这项研究发现了细菌和古菌能够通过直接检测入侵病毒的关键蛋白并导致“自杀”,从而平息病毒在微生物群落中的传播,这也是首次在原核生物钟发现这种机制,该研究发现了涵盖了细菌、古菌和真核生物这三域的所有生命都在使用的病原体特异性识别模式。

张锋教授,这项工作展示了模式识别如何在非常不同的生物体中发生着显着统一,将遗传学、生物信息学、生物化学和结构生物学方法整合到一项研究中以了解这个迷人的分子系统是非常令人兴奋的。

在此之前,张锋团队已经发现了一组细菌和古细菌的STAND核苷三磷酸酶(NTPases),称为Avs(antiviral STAND)。与真和NLR一样,Avs蛋白具有典型的三种结构域,包括一个中心NTPase、一个扩展的C端传感器和一个N端效应器。

然而,对于Avs蛋白通过何种机制保护细菌免受有尾噬菌体的攻击,仍不清楚。因此,在这项发表于 Science 上的最新研究中,张锋团队进一步解析了这些Avs蛋白的具体防御机制。

原核生物存在与真核生物NLR类似的先天免疫系统

通过在大肠杆菌中的基因筛选,研究团队鉴定到4个Avs家族(Avs1/2/3/4),并发现它们可以感应噬菌体感染过程中表达的标志性病毒蛋白。例如,Avs1到Avs3识别大终止酶亚基(terminase),Avs4识别门户蛋白(portal),这两种蛋白质共同构成了有尾噬菌体的保守DNA包装机制。

研究团队发现,Avs蛋白及其同源靶蛋白在大肠杆菌中共表达导致细胞死亡,以防止噬菌体在种群内的传播。

Avs蛋白识别噬菌体的标志性病毒蛋白

紧接着,张锋团队在体外重组了Avs活性,重点研究了沙门氏菌(SeAvs3)和大肠杆菌(EcAvs4)的Avs活性,这两种菌株都含有N端PD-DExK核酸酶效应子。在同源靶基因存在的情况下,沙门氏菌和大肠杆菌的Avs蛋白介导了双链DNA的降解,但单链DNA和RNA底物未发生裂解。值得一提的是,这种核酸酶活性需要Mg2+和ATP的存在,但ATP的水解并不是严格要求的。

SeAvs3和EcAvs4是噬菌体激活的双链DNA内切酶

不仅如此,研究团队还确定了SeAvs3-terminase和EcAvs4-portal复合物的冷冻电子显微镜结构,揭示了两者都形成四聚体,结合是由形状互补的扩展界面介导的,其中每个Avs亚基的C端传感器域结合单个靶蛋白。此外,SeAvs3可以直接识别终止酶活性位点残基及其ATP配体。SeAvs3和EcAvs4的四聚化是由它们的STAND ATP酶结构域介导的,并允许N端核酸酶采用活性二聚体构型。

SeAvs3-terminase和EcAvs4-portal复合物的冷冻电子显微镜结构

最后,Avs蛋白的生物信息学分析显示,至少有18种不同的N端效应子在Avs同源基因之间模块交换,并且Avs基因广泛分布在细菌和古菌的各个门,这很可能是广泛的水平基因转移导致的。

Avs基因在原核生物中广泛分布

更有趣的是,研究团队还发现,噬菌体也会“还以颜色”——通过编码和表达Avs的抑制蛋白,突出了原核生物和病毒之间的广泛军备竞赛,可谓“道高一尺,魔高一丈”。

噬菌体编码和表达Avs抑制蛋白,抵抗原核生物的先天免疫系统

总的来说,这项 Science 研究表明,细菌和古菌中也存在类似于真核生物NLR的、针对噬菌体的防御蛋白——Avs家族。Avs蛋白可以识别噬菌体的标志性病毒蛋白的保守折叠,并组装成四聚体,激活不同的N端效应子,切割双链DNA,诱导细菌死亡,从而阻止噬菌体的传播。

Avs蛋白的防御机制强调了原核生物和真核生物防御策略的相似性,并将病原体特异性蛋白的免疫模式识别机制扩展到生命的所有三个域(细菌、古菌、真核生物),为先天免疫的基础研究打开了新的大门。

 

原始出处:

LINYI ALEX GAO, et al. Prokaryotic innate immunity through pattern recognition of conserved viral proteins. SCIENCE, 12 Aug 2022, Vol 377, Issue 6607.

作者:nagashi

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