上海
撰文 | 敏一
在细菌与噬菌体长达数十亿年的进化博弈中，抗噬菌体防御系统的动态调控机制始终是微生物免疫领域的核心问题。近年来，人工智能（AI）驱动的蛋白质结构预测工具（如AlphaFold）彻底改变了结构生物学的研究范式，为解析未知蛋白功能提供了前所未有的可能性。与此同时，生物信息学分析揭示了细菌免疫系统的惊人多样性——从经典的CRISPR-Cas到新型的CBASS、Thoeris等系统，每个系统都蕴藏着独特的分子逻辑。然而，在这些系统中，HerA-DUF因其复杂的动态组装特性长期被视为“未解之谜”：已知HerA（一种ATP酶）与DUF（目前功能未知）协同作用可触发抗噬菌体防御系统，但两者单独存在时均无活性，其激活机制仍不清楚。
2025年2月25日，来自俄亥俄州立大学的傅天民（Tian-Min Fu）团队在Molecular Cell杂志上发表题为Architecture remodeling activates the HerA-DUF anti-phage defense system的研究论文。该研究结合AlphaFold结构预测、冷冻电镜（cryo-EM）和生化实验，首次阐明了HerA-DUF复合体的动态组装机制，揭示了HerA与DUF结合后引发的结构重塑如何激活DUF的核酸酶活性，为理解细菌抗噬菌体防御系统的功能调控提供了全新视角。研究成果突出了整合人工智能预测与实验验证的研究范式的高效性和有效性，而HerA-DUF的独特作用机制则挑战了“蛋白质寡聚化本身即可激活免疫信号”的传统观点。
研究人员首先利用AlphaFold预测了与DUF核酸酶结构域类似的同源蛋白质，发现DUF同源蛋白质广泛存在于多种细菌免疫系统。通过Foldseek结构比对，DUF的NTD与已知核酸酶Cap4具有相似性，提示其潜在功能。然而，生化实验揭示，DUF本身并不具备核酸酶活性，只有在与HerA结合后且存在金属离子（如Mn2+或Mg2+）才能有效切割DNA底物。
为了深入解析HerA-DUF系统的激活机制，研究人员利用冷冻电镜解析了DUF在自由状态下和与HerA结合状态下的三维结构。当DUF单独存在时，通过C端RFO结构域（Rossmann fold for oligomerization）组装为双层圆柱状十二聚体，每一层为开放式环状六聚体，此时核酸酶结构域彼此独立。而当DUF与HerA结合后，六聚体HerA的HAS结构域与下层DUF六聚体的RFO结构域互作，导致DUF的结构发生显著重塑。这种重塑使得上层DUF六聚体的N端核酸酶结构域发生刚性旋转，形成“钳形”二聚体结构，从而激活其对DNA的切割能力；而上层的RFO结构域则形成闭合环状，形成一个40Å的中央孔道。RFO结构域的组装对于DUF的激活至关重要，突变RFO-RFO结构域互作界面的碱基破坏了DUF的寡聚化及HerA-DUF复合体的组装，并显著抑制HerA-DUF复合体的核酸酶活性。
为了进一步理解HerA-DUF复合体是如何协调结合DNA底物，研究人员使用冷冻电镜解析了DUF-HerA-DNA三元复合体的结构。冷冻电镜捕捉到HerA-DUF复合物中央孔道结合了双链DNA的信号。电泳迁移实验（EMSA）显示，HerA-DUF对DNA的亲和力显著高于DUF寡聚体。而突变中央孔道的正电残基（如K265/K314/K434E）则会破坏HerA-DUF的DNA结合能力和核酸酶活性，并削弱细菌的噬菌体防御能力。这些数据说明，HerA-DUF复合体的中央孔道结构对于其DNA结合能力、核酸酶活性以及细菌的抗噬菌体防御系统至关重要。
综上所述，本研究通过解析HerA-DUF复合体的结构和功能，揭示了其在抗噬菌体防御中的独特机制。正如希腊神话中可变形的海神“普罗透斯”（Proteus），HerA-DUF系统的结构可塑性展现了生命在微观尺度上的精妙设计。因此研究人员提出将HerA-DUF抗噬菌体防御系统重命名为“普罗透斯”防御系统。这一发现不仅为理解细菌如何通过结构重塑激活抗噬菌体防御系统提供了新的视角，还挑战了传统的“寡聚化即激活”的理论，表明高阶组装体的精确结构动态（而非单纯寡聚化）是功能激活的关键。未来的研究方向包括寻找噬菌体触发HerA-DUF激活的诱导因子，并进一步探索这种结构重塑机制在其他复杂免疫系统中的普适性等。
https://www.cell.com/molecular-cell/abstract/S1097-2765(25)00106-6
制版人： 十一
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