Molecular Cell| 新型抗噬菌体系统SIR2-HerA超分子复合体分子机制

细菌在面对噬菌体感染的过程中，演化出了多种抗噬菌体机制，如经典的限制修饰系统，CRISPR-Cas系统等，然而仍有大量未被探索的防御系统基因。近些年来研究者基于生物信息学分析，高通量筛选等技术挖掘了大量潜在的抗噬菌体基因，如新型防御系统SIR2-HerA。其中细菌SIR2蛋白与人类的Sirtuin蛋白有高度相似性，能够催化NAD(P)+的水解。HerA含有一个ATP水解酶的结构域，通常形成一个环形同源六聚体。之前的研究发现SIR2-HerA活化后，会消耗细菌体内的NAD(P)+，进而导致细菌个体的死亡。这种通过牺牲被感染细菌个体来保护群体的机制被称为流产性感染。SIR2-HerA组装和活化机理是领域内悬而未决的重要科学问题。

近日，Molecular Cell上同期发表了两篇关于新型抗噬菌体系统SIR2-HerA的研究，一篇是来自美国俄亥俄州立大学医学院生化与药理学系傅天民团队，题目是“Assembly-mediated activation of the SIR2-HerA supramolecular complex for anti-phage defense”，研究者利用冷冻电镜解析了SIR2，HerA，以及SIR2-HerA的分子结构，并进一步用生物化学手段阐释了该系统多元的酶活性，包括核酸酶（nuclease），ATP水解酶（ATPase），DNA解旋酶（Helicase），以及NAD(P)+水解酶（NADase）。在SIR2-HerA系统中，这些不同的酶活功能协同作战，高效反击了噬菌体感染，达成了免疫防卫的目标。

该论文的主要科学发现总结如下：

1. 已知的SIR2同源蛋白都以单体形式存在，而且有NAD(P)+水解酶活性。该系统的SIR2蛋白形成一个双层盘状十二聚体。更加出乎意料的是SIR2具有核酸酶活性，而没有NAD(P)+水解酶活性。

2. 其他已知的HerA蛋白通常形成对称的六聚体结构，具有ATP依赖的DNA解旋酶活性。该系统的HerA蛋白在单独存在时，可以形成多种寡聚体状态，包括二聚体、三聚体、四聚体、五聚体、六聚体、七聚体、八聚体和九聚体。该研究发现HerA蛋白寡聚状态是蛋白浓度依赖的，蛋白浓度越高，高聚体形式越大，高聚体也越多。HerA不能够水解ATP，也检测不到DNA解旋酶活性。

3. 该系统的SIR2蛋白与HerA蛋白形成SIR2-HerA复合物的组装过程是动态的，完整的SIR2-HerA复合物比例为12:6（2.83 Å分辨率），但也存在摩尔比为12:5（2.89 Å分辨率）以及12:4（3.15 Å分辨率）的复合物状态。在SIR2-HerA复合物组装过程中，SIR2蛋白作为调控蛋白，锁定HerA最终为六聚体，因为SIR2形成的环状结构最多可以容纳六个HerA蛋白分子。

4. SIR2-HerA复合物组装对系统酶活性的调控：在SIR2-HerA复合物中，SIR2失去了核酸酶活性，展示出强大的NAD(P)+水解酶活性；在SIR2-HerA复合物中，HerA表现出ATP水解酶活性以及ATP依赖的DNA解旋酶活性。

5. SIR2-HerA复合物中，六聚体的HerA形成一个不对称的结构，六个亚基不在同一平面上，而是呈螺旋楼梯状，亚基之间相互作用也相对松散。其中每三个单体形成相对紧凑的结构，两个三聚体之间存在两个较大的裂隙，也许这是HerA能形成多种聚体的分子基础。

6. ATP调控SIR2-HerA的活化。ATP分子，包括其他NTPs和dNTPs可以抑制SIR2-HerA复合物对NAD(P)+的水解，而HerA的ATP水解活性可以促进SIR2-HerA复合物的NADase活性和解旋酶活性。

总之，SIR2-HerA系统的组装对系统的活性调控发挥着关键作用。在细菌内，但是活性被细菌体内高浓度的ATP所抑制，噬菌体感染能解除ATP的抑制作用，进而形成SIR2-HerA的形成导致NAD的降解和细菌个体的死亡。

俄亥俄州立大学医学院生化与药理学系傅天民教授为本文通讯作者，沈张飞博士、林清鹏博士以及博士生杨晓媛为本论文的共同第一作者。傅天民教授课题组（https://u.osu.edu/fu.978/）自2020年七月成立至今三年多，已发表20余篇科研论文，其中2023年在Nature、Molecular Cell、Neuron、Nature Structural & Molecular Biology、Nature Communications等杂志发表（接收）多篇重要论文。

第二篇是来自四川大学生物治疗全国重点实验室的陈强/余雅梅团队，题为 "Multiple enzymatic activities of a Sir2-HerA system cooperate for anti-phage defense"，该研究将SIR2-HerA系统命名为“Nezha（哪吒）”，发现该系统具备多种防御机制协同作用。Nezha系统的核心功能涵盖ATP感知、ATP水解活性、NAD水解活性、解旋酶活性和核酸酶活性。这些功能共同协作，构成了一种复杂而高效的防御机制，有效地抵抗噬菌体的攻击。

“哪吒”系统抵抗噬菌体的示意图

研究者揭示了Nezha系统有效保护大肠杆菌免受多种噬菌体侵袭的机制。研究表明，Sir2和HerA能形成一个稳定的复合体，并且展示出多重酶活性。这些酶活性受到ATP的负调节，即ATP浓度的增加会抑制它们的活性。

重要的是，Nezha系统中的这些酶活性能够相互协作，产生协同效应。例如，ATP水解活性和NAD水解活性的结合，加上ATP对这些活性的负调节，形成了一个典型的正反馈机制。这种机制可以迅速降低细胞内ATP水平，从而激活Nezha系统。值得一提的是，“哪吒”系统的解旋酶活性能特异性地识别并解旋复制中噬菌体的双链DNA，将其转化为单链DNA。接着，系统中的单链特异性核酸酶活性会降解这些单链DNA，同时不会损害细胞自身的双链基因组。这一复杂而精确的机制展示了细菌如何利用高度专门化的分子机制，以抵御外来的病毒性威胁。

研究团队进一步提出了Nezha系统多种酶活性协同防御噬菌体感染抵抗噬菌体侵染的完整机制：首先，当噬菌体侵入并感染细菌时，Nezha系统能够感知到噬菌体基因组的复制活动。这种感知触发了系统中ATP水解酶活性的增强，进而导致细胞内ATP水平的降低。ATP水平的下降是“哪吒”系统其他酶活性激活的关键信号。在这些酶活性的共同作用下，噬菌体基因组被有效清除。随着噬菌体基因组的消除，系统中的ATP水解酶活性随之下调，导致细胞内ATP水平逐渐恢复正常。这种ATP水平的恢复，反过来抑制了Nezha系统中其他酶的活性，最终导致整个系统的关闭。这一过程确保了细菌在噬菌体感染被清除后，能够恢复正常生长和功能。

图3 “哪吒”系统的多种酶活性协同防御病毒感染

四川大学华西医院生物治疗全国重点实验室余雅梅副研究员、陈强研究员为本文共同通讯作者，四川大学华西医院泌尿外科博士后唐冬梅、生物治疗全国重点实验室硕士研究生陈怡君为本文共同第一作者。

两篇文章从超分子组装机制、酶活调控机制不同侧面为理解噬菌体防御系统的精细调控的分子机制以及细菌防御系统的进化提供了深刻的见解。