Cell | Shedu抗噬菌体防御系统对DNA末端的感知与切割

撰文 | 染色体

原核生物与入侵的可移动基因元素之间的进化博弈促使了多种抗病毒防御系统的出现，这些系统通常聚集在宿主基因组中的防御岛上【1】。通过对未知基因簇的识别，科学家已发现了多种防御系统，如BREX、DISARM、Septu、RADAR和Mokosh等【2】。其中，部分系统的分子触发机制已经被揭示。例如，CBASS系统通过检测病毒RNA触发免疫反应【3】，而AVAST和CapRelSJ46系统则通过识别病毒蛋白启动效应蛋白，从而终止病毒感染【4】。

2024年12月31日，来自瑞士苏黎世大学生物化学系的Martin Jinek与Luuk Loeff共同在Cell期刊发表题为DNA end sensing and cleavage by the Shedu anti-phage defense system（Shedu抗噬菌体防御系统对DNA末端的感知与切割） 的文章。 研究表明，SduA通过其N端夹子识别DNA的末端，并在特定位置切割双链DNA（dsDNA），从而防止线性DNA在细胞内扩展。此外，噬菌体通过抑制重组依赖的DNA复制来逃避Shedu系统的免疫反应，这为我们理解Shedu系统的抗病毒机制提供了新的见解。

Shedu是一个原核生物的防御系统，包含一个编码SduA蛋白的基因，该蛋白具有核酸酶活性【5】。SduA在功能上与III型限制-修饰酶的RES结构域以及古菌的NucS/EndoMS相似，可能直接靶向入侵的核酸分子。

Shedu系统的结构与性质

首先，研究人员分析了Shedu系统的结构，发现SduA蛋白根据基因组同源性可分为I型和II型两种类型。I型SduA具有较长的N端区域和位于C端的DUF4263结构域，而II型SduA在N端或C端有较短的延伸。大部分Shedu系统为I型，且I型的DUF4263结构域高度保守，N端区域差异较大，提示不同SduA蛋白可能通过不同机制进行噬菌体识别和防御。为验证其功能，研究人员在大肠杆菌中表达了不同SduA同源基因，发现I型和II型SduA对细胞生长的抑制效果不同，表明Shedu系统在不同宿主中的防御活性具有特异性。此外，研究人员还发现，EcSduA能够显著降低Myoviridae噬菌体T2和T6的感染效率，而PaSduA则对lambda噬菌体和T6表现出强烈的防御作用，表明Shedu系统具有特异性的抗噬菌体免疫功能。进一步解析EcSduA的结构，研究人员发现其以四聚体形式存在，具有C2对称性。每个SduA原型由N端的“夹具”结构域和C端的DUF4263结构域组成，N端结构域调节着DUF4263的酶活性，确保其有效发挥防御作用。EcSduA能特异性地切割dsDNA，而对单链DNA和RNA没有活性。结构分析揭示，DUF4263结构域属于PD-(D/E)XK酶家族，含有一个镁离子依赖的活性位点。突变分析显示，DUF4263中的关键氨基酸残基对抗噬菌体活性至关重要。这些结果表明，Shedu系统通过直接切割入侵噬菌体的dsDNA来提供免疫保护。

Shedu系统的作用机制

接下来，研究人员进一步探讨了Shedu系统如何识别噬菌体及区分自我与非我。由于EcSduA蛋白的N端结构域对限制DUF4263核酸酶毒性至关重要，研究人员推测N端可能作为传感器参与目标识别。研究发现，EcSduA能够与短双链DNA寡核苷酸形成复合物。EcSduA的N端结构域形成夹具状结构，能够识别并绑定DNA的末端，DNA末端插入至此夹具中，且双链在末端部分被解旋，同时保持碱基配对。结构分析显示，EcSduA与DNA的结合不依赖于特定碱基序列，而是通过与DNA骨架的电荷和氢键相互作用。这表明，EcSduA识别线性双链DNA的方式是非特异性的，且能够在DNA末端进行切割。进一步研究发现，EcSduA通过其四聚体形式的DUF4263核酸酶结构域切割DNA。EcSduA在DNA的5'端固定距离处进行切割，且N端结构域对这一特异性切割至关重要。去除N端结构域后，切割模式发生改变，证明该结构域对于DNA末端的识别和切割具有关键作用。此外，研究还揭示了噬菌体如何通过抑制线性DNA复制中间体的生成来逃避Shedu免疫系统。通过分离抗免疫噬菌体并分析其基因突变，研究人员发现T6噬菌体的gp151和gp216基因突变使其能够逃避EcSduA的识别。这表明，噬菌体通过丧失与线性DNA相关的DNA重组机制，成功规避了Shedu系统的免疫攻击。

综上所述，该研究揭示了Shedu抗噬菌体的防御机制。SduA通过其DUF4263结构域形成四聚体，能够识别线性DNA的自由末端，并在特定位置切割DNA，从而有效地识别并干扰噬菌体的复制过程。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.11.030

制版人：十一

参考文献

[1] Makarova, K.S., Wolf, Y.I., Snir, S., and Koonin, E.V. (2011). Defense islands in bacterial and archaeal genomes and prediction of novel defense systems.J. Bacteriol.193, 6039-6056. https://doi.org/10.1128/JB.05535-11.

[2] Gao, L., Altae-Tran, H., Böhning, F., Makarova, K.S., Segel, M., Schmid-Burgk, J.L., Koob, J., Wolf, Y.I., Koonin, E.V., and Zhang, F. (2020). Diverse enzymatic activities mediate antiviral immunity in prokaryotes.Science369, 1077-1084. https://doi.org/10.1126/science.aba0372.

[3] Banh, D.V., Roberts, C.G., Morales-Amador, A., Berryhill, B.A., Chaudhry, W., Levin, B.R., Brady, S.F., and Marraffini, L.A. (2023). Bacterial cGAS senses a viral RNA to initiate immunity.Nature623, 1001-1008. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06743-9.

[4] Zhang, T., Tamman, H., Coppieters’t Wallant, K., Kurata, T., LeRoux, M., Srikant, S., Brodiazhenko, T., Cepauskas, A., Talavera, A., Martens, C., et al. (2022). Direct activation of a bacterial innate immune system by a viral capsid protein.Nature612, 132-140. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05444-z.

[5] Doron, S., Melamed, S., Ofir, G., Leavitt, A., Lopatina, A., Keren, M., Amitai, G., and Sorek, R. (2018). Systematic discovery of antiphage defense systems in the microbial pangenome.Science359, eaar4120.

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