Mol Cell | 陈实/王连荣团队联合揭示微生物防御噬菌体新机制

随着全球范围内抗生素耐药感染的不断增加，加之新抗生素开发的艰巨性，推动了噬菌体疗法的开发与应用。然而，在噬菌体治疗过程中依然面临许多挑战，噬菌体与细菌之间永无休止的“军备竞赛”是核心挑战之一。细菌进化出层层精密的防御系统以抵挡入侵，解析这这些细菌防御系统的机制，对于全面理解微生物攻防逻辑、开发更稳固的抗噬菌体工业底盘菌株或更高效的噬菌体疗法，都具有重要意义。

2025年12月3日，经过深圳市转化医学研究院（深圳大学第一附属医院）、深圳市儿童医院、武汉大学紧密合作，陈实教授和王连荣教授联合在Molecular Cell在线发表了题为The Ppl Protein Senses 3’-Hydroxyl DNA Overhangs and NTP Depletion to Halt Phage Infection的研究成果，揭示了微生物防御噬菌体新机制。

陈实教授和王连荣教授长期致力于解析微生物表观遗传及其感应防御系统和拮抗机制【1,2】。系列研究揭示了DNA磷硫酰化（PT）修饰这一独特的表观遗传标记及其介导的复杂防御系统。该修饰在细菌中广泛存在【3】。研究团队利用单分子实时测序与成像技术，实现了对该修饰的高分辨定位与可视化，阐明其是一种位于特定保守序列、具有不饱和修饰特征的修饰【4,5】。该PT修饰不仅与DNA甲基化系统在基因组上互作并共进化【6,7】，也参与调控基因表达等生理过程【8】。其核心的生物学功能是作为一套高效的天然免疫系统，通过识别“自我”PT修饰标记，使偶联的限制性复合物能够特异性切割外源“非我”DNA，从而防御噬菌体入侵【1,9】。在古菌中，dnd可与邻近pbe系统协同发挥抗病毒功能【10】。研究团队还进一步发现了由SspABCD介导的单链PT修饰系统（Ⅱ型），它与切口酶SspE结合形成新型防御屏障【11-13】，并已被应用于构建抗噬菌体工程菌底盘【14】。

更有意思的是，研究团队通过对海量微生物基因组的分析，成功挖掘出存在于嗜热微生物中、由tdpABC编码的新型磷硫酰化系统（Ⅲ型）。该系统极为精简，仅需TdpC单蛋白即可完成修饰，并揭示了通过DNA腺苷化中间产物进行的两步反应机制【15】。而对沙门氏菌Dnd系统的深入研究，则完整揭示了从修饰合成到免疫识别的完整分子通路，包括DndFGH复合物如何被未修饰DNA激活并进行切割【9】，以及DndI蛋白如何感应PT修饰以规避自身免疫的精细调控机制【16】。与此同时，研究团队也从“攻防博弈”的视角取得了突破，发现噬菌体能编码一种广谱蛋白激酶，通过磷酸化修饰同时抑制宿主的PT系统、CRISPR-Cas系统及多种流产感染系统（如SIR2-HerA），实现了对多重防御的高效逃逸【17】。这一系列由表及里、从静态修饰到动态互作的研究，层层剥茧地解析了微生物防御与拮抗网络的复杂性与精巧性【1,2】。

与磷硫酰化多蛋白复合物防御系统不同，研究团队最新发表在Molecular Cell的这项研究中揭示了一种更为精简的原核生物防御范式——单基因Ppl系统。研究团队在超过三万个细菌和古菌基因组中，共鉴定出2577个Ppl系统的同源物，分布于23个门类中，表明这是一种在原核生物中分布广泛的基础性防御资源。

Ppl系统的核心在于其编码的单一多功能蛋白。该蛋白的N端是一个PHP结构域，赋予了其Mg2+依赖性的3’-5’单链DNA外切酶活性，能够特异性识别并切割带有3’-羟基（3’-OH）末端的DNA。其C端则是一个NTPase结构域，负责感知细胞内核苷酸三磷酸（NTP）的浓度变化。在正常生理状态下，C端结构域对N端的核酸酶活性构成抑制，使系统处于安全的“关闭”状态。这一自抑制状态通过连接两个结构域的柔性环进行调节，使Ppl蛋白能够实现功能构象的切换。

Ppl系统的激活依赖于对噬菌体入侵所引发的两种细胞内部危机的精确感知，构成一个严谨的“双保险”机制。首先，当噬菌体大量复制并劫持宿主资源时，细胞内NTP浓度急剧下降，这一“能量耗竭”信号被C端NTPase结构域感知。其次，许多噬菌体（如T7噬菌体）编码的归巢内切酶（如Gp5.3）在感染过程中会切割宿主基因组DNA，产生带有3’-羟基的核苷酸突出末端的特定结构，这构成了“入侵破坏”的直接物理证据。只有当NTP耗竭和特定DNA末端这两个条件同时满足时，Ppl蛋白的自抑制才会被完全解除。被激活的Ppl蛋白随即对噬菌体切割产生的DNA“伤痕”进行持续和过度地加工。这种对自身基因组的破坏性修复导致宿主基因组严重不稳定，最终引发宿主细胞的生长停滞。通过执行这种“同归于尽”式的“流产感染”策略，Ppl系统以牺牲单个细胞的代价，彻底摧毁了噬菌体繁殖的工厂，从而实现了对细菌群体的保护。

图1. Ppl防御系统的工作模型。它通过感知NTP耗竭与特定DNA末端这双重信号，激活对宿主基因组的切割，最终诱导细胞休眠以中止噬菌体感染。

综上，该研究阐明了一类全新的基础性防御范式，攻克了新型防御系统其“信号感知-效应执行”偶联机制的核心难题。研究揭示了细菌免疫中一种不依赖识别“非我”标记、而是通过监测入侵行为所引发内部细胞状态变化（如资源耗竭与基因组受损）来启动防御的全新策略，极大地加深了对原核生物先天性免疫复杂性与精巧性的理解。同时，该发现也为理解细菌与噬菌体之间的军备竞赛进化提供了关键的新视角，并为未来开发新型抗菌策略奠定了重要的理论基础。

徐子啸博士生为本文的第一作者，陈实教授和王连荣教授为共同通讯作者。

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2025.11.011

参考文献

[1]Lianrong Wang*, Yaqian Tang, Zixin Deng,Shi Chen*, DNA Phosphorothioate Modification Systems and Associated Phage Defense Systems.,Annual Review of Microbiology, 2024, 78, 447-462.

[2] Lianrong Wang, Susu Jiang, Zixin Deng, Peter C. Dedon,Shi Chen*, DNA phosphorothioate modification—a new multi-functional epigenetic system in bacteria,FEMS Microbiology Reviews, 2018, 43(2), 109-122.

[3] Lianrong Wang,Shi Chen*, Kevin L. Vergin, Stephen J. Giovannoni, Simon W. Chan, Michael S. DeMott, Koli Taghizadeh, Otto X. Cordero, Michael Cutler, Sonia Timberlake, Eric J. Alm, Martin F. Polz, Jarone Pinhassi, Zixin Deng, Peter C. Dedon*, DNA phosphorothioation is widespread and quantized in bacterial genomes,Proc Natl Acad Sci U S A, 2011, 108(7), 2963-2968.

[4] Bo Cao#, Chao Chen#, Michael S. DeMott#, Qiuxiang Cheng, Tyson A. Clark, Xiaolin Xiong, Xiaoqing Zheng, Vincent Butty, Stuart S. Levine, George Yuan, Matthew Boitano, Khai Luong, Yi Song, Xiufen Zhou, Zixin Deng, Stephen W. Turner, Jonas Korlach, Delin You*,Lianrong Wang*,Shi Chen*, Peter C. Dedon, Genomic mapping of phosphorothioates reveals partial modification of short consensus sequences,Nature Communications, 2014, 5(1), 3951.

[5] Yue Wei#, Qinqin Huang#, Xihao Tian, Mingmin Zhang, Junkai He, Xingxiang Chen, Chao Chen, Zixin Deng, Zhiqiang Li, Shi Chen,Lianrong Wang*, Single-molecule optical mapping of the distribution of DNA phosphorothioate epigenetics,Nucleic Acids Research, 2021, 49(7), 3672-3680.

[6] Chao Chen, Lianrong Wang, Si Chen, Xiaolin Wu, Meijia Gu, Xi Chen, Susu Jiang, Yunfu Wang, Zixin Deng, Peter C. Dedon,Shi Chen*, Convergence of DNA methylation and phosphorothioation epigenetics in bacterial genomes,Proc Natl Acad Sci U S A, 114(17) (2017) 4501-4506.

[7] Xiaolin Wu, Bo Cao, Patricia Aquino, Tsu-Pei Chiu, Chao Chen, Susu Jiang, Zixin Deng, Shi Chen, Remo Rohs,Lianrong Wang*, James E. Galagan*, Peter C. Dedon*, Epigenetic competition reveals density-dependent regulation and target site plasticity of phosphorothioate epigenetics in bacteria,Proc Natl Acad Sci U S A, 117(25) (2020) 14322-14330.

[8] Tong Tong, Si Chen, Lianrong Wang, You Tang, Jae Yong Ryu, Susu Jiang, Xiaolin Wu, Chao Chen, Jie Luo, Zixin Deng, Zhiqiang Li, Sang Yup Lee*,Shi Chen*, Occurrence, evolution, and functions of DNA phosphorothioate epigenetics in bacteria,Proc Natl Acad Sci U S A, 115(13) (2018) E2988-E2996.

[9] Dan Wu, Yaqian Tang, Siwei Chen, Yue He, Xiaofei Chang, Wenzhong Zheng, Zixin Deng, Zhiqiang Li,Lianrong Wang*, Geng Wu*,Shi Chen*. The functional coupling between restriction and DNA phosphorothioate modification systems underlying the DndFGH restriction complex,Nature Catalysis, 2022, 5(12), 1131-1144.

[10] Lei Xiong, Siyi Liu, Si Chen, Yao Xiao, Bochen Zhu, Yali Gao, Yujing Zhang, Beibei Chen, Jie Luo, Zixin Deng, Xiangdong Chen, Lianrong Wang,Shi Chen*, A new type of DNA phosphorothioation-based antiviral system in archaea,Nature Communications, 2019, 10(1), 1688.

[11] Susu Jiang, Ke Chen, Yingying Wang, Yueying Zhang, Yaru Tang, Wanqiu Huang, Xiaolin Xiong, Shi Chen, Chao Chen*,Lianrong Wang*, A DNA phosphorothioation-based Dnd defense system provides resistance against various phages and is compatible with the Ssp defense system,mBio, 2023, 14(4), e00933-23.

[12] Xiaolin Xiong, Geng Wu, Yue Wei, Liqiong Liu, Yubing Zhang, Rui Su, Xianyue Jiang, Mengxue Li, Haiyan Gao, Xihao Tian, Yizhou Zhang, Li Hu, Si Chen, You Tang, Susu Jiang, Ruolin Huang, Zhiqiang Li, Yunfu Wang, Zixin Deng, Jiawei Wang, Peter C. Dedon, Shi Chen,Lianrong Wang*, SspABCD–SspE is a phosphorothioation-sensing bacterial defence system with broad anti-phage activities,Nature Microbiology2020, 5(7), 917-928.

[13] Haiyan Gao#, Xinqi Gong#, Jinchuan Zhou, Yubing Zhang, Jinsong Duan, Yue Wei, Liuqing Chen, Zixin Deng, Jiawei Wang,Shi Chen*, Geng Wu*,Lianrong Wang*, Nicking mechanism underlying the DNA phosphorothioate-sensing antiphage defense by SspE,Nature Communications, 2022, 13(1), 6773.

[14] Xuan Zou, Xiaohong Xiao, Ziran Mo, Yashi Ge, Xing Jiang, Ruolin Huang, Mengxue Li, Zixin Deng,Shi Chen*,Lianrong Wang*, Sang Yup Lee*, Systematic strategies for developing phage resistant Escherichia coli strains,Nature Communications, 2022, 13(1), 4491.

[15] Tianchen An#, Qian Tan#, Lixu Jiang, Li Liu, Xing Jiang, Liying Liu, Xiaofei Chang, Xihao Tian, Zixin Deng, Shuai Gao,Lianrong Wang*,Shi Chen*, A DNA phosphorothioation pathway via adenylated intermediate modulates Tdp machinery,Nature Chemical Biology, 2025, 21, 1160-1170.

[16] Yaqian Tang#, Dan Wu#, Yueying Zhang, Xuan Liu, Hui Chu, Qian Tan, Lixu Jiang,Shi Chen*, Geng Wu*,Lianrong Wang*, Molecular basis of the phosphorothioation-sensing antiphage defense system IscS–DndBCDE–DndI,Nucleic Acids Research, 2024, 52(22), 13594-13604.

[17] Susu Jiang#, Chao Chen#, Wanqiu Huang, Yue He, Xuan Du, Yi Wang, Hongda Ou, Zixin Deng, Congrui Xu, Lixu Jiang, Lianrong Wang,Shi Chen*, A widespread phage-encoded kinase enables evasion of multiple host antiphage defence systems,Nature Microbiology, 2024, 9(12), 3226-3239.

[18] Zixiao Xu, Hongqiu Pu, Lixu Jiang, Zhiming Wang, Ka-Yiu Edwin Kong,Lianrong Wang*,Shi Chen*, The Ppl protein senses 3′-hydroxyl DNA overhangs and NTP depletion to halt phage infection.Molecular Cell, 2025, https://doi.org/10.1016/j.molcel.2025.11.011.

学术合作组织

（*排名不分先后）

战略合作伙伴

（*排名不分先后）

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

近期直播推荐

点击主页推荐活动

关注更多最新活动！