2024年10月30日，北京化工大学冯越课题组与美国加州大学旧金山分校Joseph Bondy-Denomy课题组合作，在Nature在线发表了题为“Single phage proteins sequester signals from TIR and cGAS-like enzymes”的研究论文。
该论文报道了噬菌体编码的抗细菌Thoeris系统的“海绵蛋白”Tad1和Tad2均为具有两种不同的结合口袋的“超级海绵蛋白”，并同时能够吸附抑制CBASS系统或III型CRISPR-Cas系统的环状寡核苷酸信号分子，从而逃逸细菌免疫。该研究将目前发现的仅有的三个噬菌体海绵蛋白均统一为多结合口袋的“超级海绵蛋白”，建立了海绵蛋白研究的新范式。
为了抵御噬菌体的侵染，细菌进化出多种抗噬菌体防御系统，如CRISPR-Cas系统、限制-修饰系统(R-M)等。其中多种防御系统均采用了信号分子介导的防御模式。如CBASS系统，其编码一种 cGAS/DncV 样核苷酸转移酶（CD-NTase），该酶在噬菌体感染后产生环状二核苷酸 （CDN）或环状三核苷酸 （CTN），传递给下游效应蛋白，以此诱导宿主休眠并阻止噬菌体复制，被认为是真核生物重要免疫cGAS-STING系统的起源。又如Thoeris系统，其编码两种蛋白ThsA和ThsB，由ThsB识别入侵的噬菌体并产生信号分子1′′-3′-gcADPR，该分子随即激活效应蛋白ThsA，引发细菌流产感染。
为应对这些防御系统，噬菌体编码众多反细菌防御系统蛋白。2023年2月由冯越课题组和Joseph Bondy-Denomy课题组合作首次报道噬菌体Acb2（Anti-CBASS 2）作为一种“海绵蛋白”可吸附CBASS系统的多种CDN分子，从而实现免疫逃逸（点击阅读此前相关报道）。同年12月，冯越课题组再次发文将Acb2的吸附底物谱扩展到目前几乎所有已知的CBASS以及III型CRISPR-Cas系统的信号分子，因此称其为“超级海绵蛋白”（Mol Cell, 2023）。与此同时，噬菌体抗Thoeris系统蛋白（Thoeris-anti-defense, Tad）Tad1和Tad2也被鉴定为海绵蛋白，初步发现其可吸附Thoeris系统的信号分子1′′-3′-gcADPR以及1′′-2′-gcADPR。
在本研究中，研究团队通过体外生化实验验证了Tad1及Tad2结合其他多种环状寡核苷酸的能力，发现二者除了对1′′-2′-gcADPR/1′′-3′-gcADPR有结合作用外，还能同时结合多种环二或环三核苷酸。文章还报道了数十个Tad蛋白与多种环状寡核苷酸的复合物晶体结构，并且深入探究了Tad蛋白结合环状寡核苷酸的分子机制。有意思的是，团队发现Tad2的一个homolog（HgmTad2）对cGG（cyclic di-GMP）的结合亲和力高达24 pM，是目前已报道的亲和力最强的cGG结合蛋白，也远高于目前报道的海绵蛋白对信号分子的亲和力。在细菌中，cGG是最广泛的 CDN，它像一个“关键枢纽”参与调节细菌生长和行为包括运动、毒力、生物膜形成和细胞周期进程等多个方面。HgmTad2是首个发现的靶向cGG的噬菌体反防御系统蛋白，有望为未来研究cGG相关的信号转导通路提供思路。
图1 CbTad1-cA3-1′′-3′-gcADPR及HgmTad2-cGG-1′′-3′-gcADPR结构展示
综上，该论文以及此前针对Acb2的系列工作证实了目前已知的仅有的三种海绵蛋白, Acb2，Tad1，Tad2均为具有多个结合位点隔离信号分子的“超级海绵蛋白”，这一发现暗示具有多个信号分子结合位点的噬菌体反防御蛋白可能广泛存在，并建立了噬菌体反细菌防御系统“海绵蛋白”研究的新范式。
本研究由北京化工大学冯越教授与加州大学旧金山分校Joseph Bondy-Denomy教授担任共同通讯作者，北京化工大学大学博士研究生李栋、中国科学院植物研究所肖裕、加州大学旧金山分校Iana Fedorova博士，北京化工大学博士研究生熊伟佳，北京化工大学硕士研究生王宇及北京化工大学已毕业博士生刘茜为论文共同第一作者。
冯越课题组多年来一直以生物化学与分子生物学、结构生物学、细胞生物学等为手段，对微生物与宿主免疫系统相互作用等领域相关蛋白质的结构与功能开展研究。共发表SCI论文53篇，其中通讯作者（含共同）论文30篇，分别发表在Nature（2篇）、Cell、Mol Cell (3篇)、Nat Chem Biol ( 3篇)、PNAS、Nat Plants、Nat Commun ( 2篇)、Nucleic Acids Res等期刊。课题组长期招收博士后及博硕士研究生，欢迎感兴趣的同学加入。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08122-4
