Cell | 细菌对抗噬菌体侵染的新武器Hachiman——无差别攻击的“基因组破碎机”

撰文 | 木兰之枻

噬菌体时刻威胁着细菌的生存，为此，细菌进化出了多种免疫防御系统对抗噬菌体侵染 （详见BioArt报道：）【1】。各类防御系统中，最为大家所熟知的便是CRISPR-Cas和限制-修饰 （RM） 系统 （限制性内切酶便来自RM系统） 。近年来研究者通过宏基因组分析在原核生物中发现了多种新的免疫防御系统如Hachiman【2-3】。Hachiman系统的核心组分是HamA和HamB两种蛋白，HamA功能未知，HamB则属于SF2解旋酶家族。虽然有研究指出Hachiman系统主要通过顿挫性感染 （abortive infection） 来抵抗噬菌体侵染【1】，但更具体的机制仍有待深入研究。

近日，来自美国加州大学伯克利分校的Jennifer A. Doudna实验室在Cell发表题为Genome integrity sensing by the broad-spectrum Hachiman antiphage defense complex的论文。文章对Hachiman系统的机制进行了系统性研究，揭示了细菌抵抗噬菌体侵染的新模式：Hachiman能感知双链DNA的完整性，一旦监控到DNA损伤，便会启动对宿主和入侵噬菌体基因组DNA的无差别攻击，通过降解基因组DNA来消灭被噬菌体侵染的细菌，最终遏制噬菌体对细菌群体的侵染。

解旋酶是真核和原核生物的免疫系统的常见组分，研究者首先对原核生物来源的95种细菌免疫相关解旋酶和236种SF1/SF2家族解旋酶进行了系统发育进化树分析，发现Hachiman系统的HamB解旋酶组分归属SF2 Ski2解旋酶亚家族，该亚家族蛋白主要通过作用于RNA和DNA发挥功能。

随后研究者通过噬菌体斑点测定法对三种大肠杆菌菌株进行检测，发现来自ECOR31菌株的Hachiman系统对噬菌体侵染的抵抗力最强，能有效防御8种不同双链DNA噬菌体 （对RNA噬菌体和单链DNA噬菌体并无防御能力） 的侵染，展现出了广谱抗噬菌体的活性。

之后研究者对Hachiman核心组分HamA和HamB进行了结构解析以揭示其抗噬菌体侵染的分子基础。HamA与HamB以1:1的比例形成二聚体复合物，其中HamB的功能域结构与Ski2/Brr2解旋酶类似，其RecA1和RecA2功能域在堆叠后组成解旋酶活性中心，而退化的的翼螺旋域 （WH*） 和C末端α-螺旋区 （CAH） 则共同组成潜在的核酸结合区。HamB还具有独特的N末端α-螺旋束 （NAH） ，是结合HamA的重要区域。研究还发现，HamAB复合物的形成依赖三个互作区。

序列和结构分析提示HamA是一种核酸酶。而功能实验证实，HamAB复合物对抵抗噬菌体侵染至关重要，任一组分的功能缺失或复合物形成异常均会导致细菌失去抵抗噬菌体侵染的能力。研究还发现，HamB是一种DNA解旋酶，更倾向作用于长度较短且具有3’突出端的双链DNA底物。体外实验指出，HamAB复合物会先切割质粒DNA的单链，随后再介导质粒DNA降解，来自噬菌体的单链结合蛋白 （SSB） 能加速这一过程。

作为解旋酶，HamB如何识别并结合DNA？生化实验提示，HamB结合DNA的模式存在两种可能性，一种是通过诱导ATP水解来实现DNA结合，另一种则是由HamAB复合物直接结合完整的双链DNA。结构分析指出，HamB识别DNA 3’端的能力对Hachiman激活非常重要：DNA底物被HamB活性区结合时会导致解旋酶的“棘轮”运动，并诱发ATP酶活性，此过程会伴随HamB蛋白的构象改变，构象改变导致的RecA2结构域移动会影响NAH结构域并导致HamAB复合物解离，此过程依赖ATP水解提供能量。

荧光显微镜分析结果显示，HamAB本身对未发生噬菌体感染的细菌状态并无明显影响；但发生噬菌体侵染时，HamAB会导致细菌的拟核显著缩减，胞内DNA几乎消失。研究还指出，噬菌体侵染会激活Hachiman系统，该系统会在宿主细菌裂解之前降解DNA并杀死被侵染的细菌，这样可以有效阻止噬菌体释放和对其它细菌的进一步侵染，这与顿挫性感染的表型吻合，也表明Hachiman是一种DNA降解型免疫防御系统。

研究者利用多种小分子化合物对细菌进行处理后发现，与其它小分子相比，可诱导DNA损伤的小分子如Nal、博莱霉素、丝裂霉素C才能显著抑制表达有野生型Hachiman系统的细细菌生长和存活，提示DNA损伤是Hachiman系统活化的直接诱因。研究者还利用冷冻电镜分析HamAB复合物与质粒DNA及ATP共同孵育后的结构，发现HamAB复合物能结合完整的双链DNA，并通过选择性扫描的模式来监控双链DNA的完整性。正常状态下，DNA被排除在核酸酶活性区之外，避免HamAB对DNA的降解。噬菌体侵染或DNA损伤发生时，单链DNA末端会进入解旋酶活性区，进而诱导ATP酶活性并导致复合物结构重排，此时HamA核酸酶活性被激发并降解细菌和噬菌体的基因组DNA。

总体而言，本研究首次揭示了新型免疫防御系统Hachiman的作用机制，发现了细菌对抗噬菌体侵染的新模式：核心组分HamAB复合物在感知噬菌体侵染导致的DNA损伤时会发生解离，HamB对HamA核酸酶活性的限制被解除，此时HamA会无差别切割宿主和噬菌体的基因组DNA以限制噬菌体扩散，从而保护细菌群体的安全。这一研究让我们对原核生物抗病毒免疫的机制有了更深入和全面的了解和认识。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.09.020

制版人：十一

参考文献

1. Stokar-Avihail, A. et al. Discovery of phage determinants that confer sensitivity to bacterial immune systems.Cell186, 1863–1876 (2023).
2. Doron, S. et al. Systematic discovery of antiphage defense systems in the microbial pangenome.Science359, eaar4120 (2018).

3. Tesson, F. et al. A Comprehensive Resource for Exploring Antiphage Defense: DefenseFinderWebservice, Wiki and Databases. Preprint atbioRxiv(2024).

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