张峰团队解析原核生物病毒蛋白模式识别机制

撰文 | 雪月

责编 | 酶美

细菌和古细菌进化出多种防御机制来抵抗病毒感染，涉及多种不同的方法和酶活性。在限制性修饰和CRISPR-cas系统中，防御系统可以由病毒核酸激活；也可以由不同类型感染诱导的细胞应激激活，包括DNA双链断裂、宿主转录抑制、胞质核苷酸消耗和翻译延伸因子EF-Tu或RecBCD修复核酸酶破坏。一些系统也可以组成性的合成干扰噬菌体复制的小分子。但是对于这些防御系统的激活机制还未完全阐明。最近的研究还表明不同的系统中存在不同的激活模式。

植物、动物和真菌已经进化出特异性的免疫模式识别受体，其中包括多种生物体中普遍存在的STAND超家族的NLRs（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptors）。NLR在识别病原体相关分子后寡聚化，激活相关结构域，促进炎症或者细胞死亡。NLRs在真核免疫中的作用已经得到解析，但是在原核生物中的作用尚不清楚。

来自MIT的张峰Feng Zhang和Linyi Alex Gao团队2020年合作在Science上发表题为Diverse Enzymatic Activities Mediate Antiviral Immunity in Prokaryotes的文章。该研究发现了一组原核STAND NTPase，被称为Avs（antiviral STAND），通常在限制性修饰和其他防御系统旁边编码，保护细菌抵抗有尾噬菌体感染。

近日，两团队又合作在Science上发表题为Prokaryotic innate immunity through pattern recognition of conserved viral proteins的文章。该文章探究了Avs蛋白的抗病毒机制，发现Avs蛋白可以特异性识别有尾噬菌体末端酶和门蛋白，并降解DNA双链。

作者首先对大肠杆菌的基因进行筛选，发现Avs家族的四个成员Avs1-4在感染过程中可以识别病毒标志性蛋白。Avs1-3识别末端酶亚基，而Avs4识别门蛋白。并且在大肠杆菌中同时表达Avs蛋白和其同源靶标会导致细胞死亡。作者又用来自24中有尾噬菌体，横跨9个主要家族的末端酶和门蛋白来评估Avs识别的特异性，其中有些序列不到5%的相似度。作者发现Avs蛋白能够识别多种末端酶和门蛋白。

接下来作者选择了肠沙门氏菌 (SeAvs3) 和大肠杆菌 (EcAvs4) 进行Avs体外重建活性。分析发现在存在同源靶标的情况下，SeAvs3 和 EcAvs4可以使双链DNA降解，这个活性需要镁离子和ATP，ATP水解并不是必需的。SeAvs3 和 EcAvs4不会切割单链DNA和RNA。作者又解析了SeAvs3 -末端酶和 EcAvs4 -门蛋白的结构。分析发现二者都能形成四聚体结构，每个Avs亚基的C末端可以和单个靶蛋白结合。SeAvs3可以直接识别末端酶活性位点和ATP配体。SeAvs3 和 EcAvs4的四聚体结构形成依赖于STAND ATPase 结构域，N末端核酸酶活性区域形成二聚体结构。

最后作者对多种原核细胞中的Avs蛋白进行生物信息学分析，分析发现了至少18种不同类型的N末端效应因子，它们在Avs同源基因中发生转换。作者还鉴定出了噬菌体编码的Avs抑制剂，这表明原核生物和病毒之间的相互竞争。

模式识别模式图

本研究发现的细菌抗病毒的机制显示了原核生物和真核生物在防御策略中的相似性，并将病原体特异性识别模式扩展到原核生物中。

https://doi.org/10.1126/science.abm4096

制版人：十一

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