近日，南方科技大学医学院生物化学系贾宁副教授课题组以“Structural basis for phage-mediated activation and repression of bacterial DSR2 anti-phage defense system”为题，在学术期刊Nature Communications上发表了研究论文。
细菌和噬菌体之间时刻进行着永不停歇的“军备竞赛”，为了防止被噬菌体“攻克”，细菌在与噬菌体的长期共进化过程中，进化出了一系列免疫系统以抵御噬菌体的入侵，噬菌体也通过不断进化以逃逸细菌免疫系统。为了研究细菌和噬菌体之间的“相爱相杀”，贾宁课题组同时揭示了细菌DSR2免疫系统通过识别入侵噬菌体的尾管蛋白，启动自杀死亡来保护群体的免疫机制，及“聪明”的噬菌体如何利用自身的DSAD1蛋白抑制细菌免疫系统，从而逃逸细菌免疫系统攻击的逃逸机制。
贾宁课题组一直聚焦于原核生物（细菌和古菌）免疫系统抵御噬菌体和质粒入侵的分子机制研究，近几年来揭示了包括CRISPR及pAgos系统在内的多种原核生物免疫系统抵御噬菌体和质粒入侵的分子机制（Nature Chemical Biology, 2023; Molecular Cell, 2023, 2019a, 2019b, 2019c; Nature Communications, 2022; Science, 2020; Cell Research, 2022, 2020; Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2021）。DSR2 (Defense-associated sirtuin 2) 蛋白具有一个高度保守的Sir2 (Silent Information Regulator 2) 结构域。Sir2蛋白家族是一类古老、广泛分布于所有生命形式中且依赖于辅因子NAD+的酶家族，在多种重要的生物学过程中发挥着重要作用。近期一些研究表明，来源于枯草芽孢杆菌的DSR2蛋白能够识别噬菌体尾管蛋白 (tube)，并激活其Sir2结构域消耗细胞内的NAD+，导致被感染的细胞生长停滞或死亡。同时，为了抑制细菌DSR2免疫系统，噬菌体编码了DSAD1 (DSR anti-defense 1) 蛋白，能直接结合并抑制DSR2蛋白。但噬菌体激活和抑制DSR2免疫系统的分子机制目前仍不清楚。
为了解析噬菌体激活或抑制DSR2免疫系统的分子机制，课题组首先通过生理实验证实同时表达DSR2和tube蛋白会导致细菌生长抑制，并在生化实验中发现DSR2能形成一个稳定的多聚体（图1）。通过冷冻电镜单颗粒方法，课题组解析了DSR2的高分辨率结构，并发现DSR2蛋白形成了头对头的四聚体形式。除了Sir2结构域，DSR2蛋白还具有一个MID结构域和CTD结构域。通过结构比对发现，在DSR2四聚体中，CTD结构域存在“open”和“closed”两种状态。课题组通过体外生化实验证实，只有单体状态的tube蛋白能激活DSR2的NADase活性，并利用体外共破碎的方式得到了DSR2-tube复合物，解析了其高分辨率结构。课题组在结构分析中发现，在DSR2-tube复合物中，单体状态的tube蛋白结合在“closed”状态下的CTD结构域上（图1）。
图1 Tube蛋白能够特异性结合DSR2并激活其NADase活性
此外，课题组还在生理及生化实验中发现，当同时表达噬菌体编码的DSAD1蛋白和tube蛋白时，DSR2不能被tube蛋白激活，其NADase活性受到了抑制（图2）。为了探究DSAD1蛋白抑制DSR2的分子机制，课题组进一步解析了DSR2-DSAD1复合物的冷冻电镜结构，发现 DSAD1蛋白更倾向于结合在“open”状态下的CTD结构域上，不同于tube蛋白，偏好结合在“closed”状态下的CTD结构域上。课题组在进一步分析中发现，DSAD1的 b1链通过与DSR2蛋白相互作用，阻止了DSR2的构象变化，从而别构地抑制了DSR2蛋白与tube蛋白结合，使得噬菌体能够逃逸DSR2免疫系统（图2）。
图2 DSAD1蛋白特异性结合DSR2并阻止其与tube的结合
综上，课题组提出了DSR2系统复合物组装、tube蛋白识别激活、DSAD1蛋白结合抑制等过程的动态模型（图3），详细阐述了DSR2系统识别噬菌体tube蛋白激活以及噬菌体通过编码特定的蛋白DSAD1逃逸DSR2免疫系统的分子机制。这些发现加深了人们对原核生物免疫系统的理解，以及对从真核到原核广泛分布的Sir2结构域的了解，并为开发基于DSR2系统的生物技术工具奠定了分子基础，例如使用该系统消灭具有广谱抗生素抗性的“超级细菌”等。
图3 噬菌体蛋白激活和抑制DSR2免疫系统的模式图
南方科技大学医学院博士后张峻涛、刘晓雨，博士生李卓霖为本论文的第一作者，医学院生物化学系贾宁副教授为本论文通讯作者。南方科技大学为论文第一单位和通讯作者单位。该研究得到了国家自然科学基金、广东省重点实验室、广东省及深圳市自然科学基金面上项目、深圳市孔雀计划等项目的大力支持。南方科技大学冷冻电镜中心为该研究相关的冷冻电镜数据收集和处理工作提供了大力支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47177-9
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