Nat Chem Biol | 冯越/张凯铭合作团队揭秘细菌“自杀式核武器”——Lamassu系统

在肉眼看不见的微观战场上，细菌与侵袭它们的病毒（噬菌体）之间正进行着一场永无休止的“军备竞赛”。为 抵御噬菌体 的 种族屠 杀，细菌 演化出极其复杂的防御网络， 除了 广为人知 的CRISPR-Cas 系统 外，还有一类被称为流产感染（Abortive infection,Abi）的极端防御策略。这是一种为了群体利益而牺牲个体的机制：当细菌被 噬菌体 感染后，会启动程序导致自身死亡或停止生长，从而 与 病毒 同归于尽 ，防止其复制并扩散给周围的同伴。据统计 ， 超过70%的原核生物都装备了这 类 防御 武器 。在众多的Abi 机制 中，一 种 名为Lamassu（ 拉玛苏 ，巴比伦神话中人首牛身的守护神 ） 的抗噬菌体系统于2018年首次 被 科学家 鉴定 。 该 系统主要由负责“ 行刑 ”的 效应蛋白 （LmuA）和负责“侦察”的DNA传感器（LmuB）组成，部分进化的变体（II型）还包含一个功能 未知 的短基因（LmuC）。Lamassu系统展现出了惊人的多样性，能够通过识别入侵者的特定DNA序列（如回文序列）来激活防御。然而，尽管科学家们已经对Lamassu系统的单个组件进行了功能 预测， 如发现LmuB属于维持染色体结构的SMC家族，而LmuA 则具有多种结构域形式，包括核酸酶，蛋白酶，磷酸酯酶等。 但这台精密的微观机器究竟是如何组装和运作的，依然是一个巨大的谜团。 该 系统的整体架构是什么？各个部件是以怎样的比例结合？它是如何精准感知噬菌体DNA并扣动“自杀”扳机的？尤其是I型和II型变体在进化过程中产生了怎样的结构与功能差异？解析这一防御系统的精细作用机理，将是我们理解细菌免疫智慧的关键一环 。

2026年1月2日，北京化工大学冯越/张怡团队与中国科学技术大学生医部张凯铭团队合作在Nature Chemical Biology上发表题为Structural insights into type-I and type-IILamassu antiphage systems的研究论文，报道了I型和II型Lamassu系统多种状态下的冷冻电镜高分辨率三维结构，结合体外生化和噬菌体防御实验揭示了其独特的组装方式，并阐明了这一“细胞自杀”开关是如何被精准控制的（图1）。

联合团队首先发现Lamassu系统的核心是一个由SMC家族蛋白LmuB组成的二聚体支架，构成一把巨大的“钳子”。在II型系统中，这把钳子还包含一个独特的LmuC组分，位于复合物的中心。在没有病毒入侵的“和平时期”（静息态），负责执行杀伤任务的核酸酶LmuA以单体的形式被紧紧“锁”在LmuB的螺旋结构域上。 该 构象将LmuA隔离并保持在非活性状态，相当于给武器上了“保险栓”，防止其误伤细菌自身的DNA 。紧接着联合团队解析了两型La massu 系统与DNA底物的复合物结构，结合体外DNA切割实验发现： 与传统的SMC复合物利用头部环绕DNA不同，Lamassu系统通过直接结合双链DNA的“末端”来感知危险。这种DNA末端通常只在噬菌体大量复制或细菌基因组受损时才会大量出现 。同时 研究团队发现了一个有趣的现象：高浓度ATP（代表细胞健康 状态 ）会抑制系统的 核酸酶 活性，而低浓度ATP（代表细胞遭噬菌体攻击导致能量耗竭）则会促进系统与DNA结合 并切割DNA，揭示了一种DNA末端感知和能量水平监测的双重检查机制。联合团队还捕捉到了效 应蛋白的释放与多聚化 现象，即噬菌体DNA的结合导致 原本被“囚禁”的LmuA释放出来 ， 重获自由 的 LmuA单体会在细胞质中迅速发生形变，并组装成一个活性的四聚体结构。 该 四聚体就像一台全速运转的碎纸机，能够无差别地切割细胞内的所有DNA，最终导致受感染细菌的死亡（ 流产 感染），从而牺牲小我，阻断了噬菌体在菌群中的进一步传 播。

综上，本研究不仅展示了Lamassu系统从静息到激活的完整分子图像，还揭示了SMC家族蛋白在原核生物免疫中的全新功能——不仅是染色体的维护者，更是免疫系统的核心支架。通过解析LmuA从单体到四聚体的激活路径，为理解细菌如何利用多聚化机制控制免疫应答提供了新的理论框架。

图1 细菌La massu 防御系统的工作模式图

中国科学技术大学博士研究生李明，博士后赵晓龙，北京化工大学博士研究生赵兴雨、李栋，熊伟佳为本论文的共同第一作者，北京化工大学 生命科学与技术学院 冯越教授、张怡副教授与中国科学技术大学生命科学与医学部的张凯铭教授为本文的共同通讯作者。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41589-025-02102-z

制版人： 十一

参考文献

1. Doron, S. et al. Systematic discovery of antiphage defense systems in the microbial pangenome.Science359, eaar4120, (2018).

2. Millman, A. et al. An expanded arsenal of immune systems that protect bacteria from phages.Cell Host Microbe30, 1556–1569, (2022).

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