真核先天免疫系统使用模式识别受体通过检测病原体相关的分子模式来感知感染，然后触发免疫反应。细菌也进化出了类似的免疫蛋白，可以感知它们的病毒捕食者的某些成分，即噬菌体。虽然不同的免疫蛋白可以识别不同的噬菌体编码触发器，但在感染过程中发现单个细菌免疫蛋白仅感知单一触发器，这表明细菌模式识别受体与其配体之间存在一对一的关系。然而，一些研究结果表明，细菌免疫蛋白可能能够识别多种不同的病毒配体。这可能意味着宿主-病原之间的共进化动态并非完全符合单一PRR-单一配体的模式。在这项研究中，麻省理工学院Michael T. Laub教授团队证明了大肠杆菌中的抗噬菌体防御蛋白CapRelSJ46可以使用相同的感觉域直接结合和感知两种完全不相关且结构不同的蛋白质。结果强调了免疫感觉域的显著多功能性，这可能是噬菌体防御系统的共同特性，使它们能够跟上快速进化的病毒捕食者的步伐。作者发现Bas11噬菌体在感染期间携带CapRelSJ46感知的两种触发蛋白，并且只有当这两种触发蛋白发生突变时，这些噬菌体才能完全逃避CapRelSJ46的防御。总之，细菌免疫系统可以感知多个触发因素，从而防止噬菌体轻易逃脱检测，并且可以检测更广泛的噬菌体。作者揭示了细菌防御系统意想不到的多因子感知以及它们与其噬菌体编码触发器之间复杂的共同进化关系。相关工作以“A bacterial immunity protein directly senses two disparate phage proteins”为题发表在Nature，第一作者为Zhang Tong。一、Bas11中的Gp54是CapRelSJ46防御系统的激活剂本研究介绍了一种名为CapRelSJ46的细菌抗病毒防御系统,以及它识别两种完全不同噬菌体蛋白的新发现。之前的研究表明,CapRelSJ46可以识别噬菌体的主蛋白(MCP),从而限制噬菌体的扩散。然而,一些与MCP相关的噬菌体(如Bas11)也能逃逸CapRelSJ46的防御。为探究CapRelSJ46是否还能识别其他噬菌体因子,研究者对Bas11噬菌体进行了分析。结果显示,Bas11噬菌体中的Gp54Bas11蛋白也能够激活CapRelSJ46,而Gp54Bas11突变或缺失的Bas11噬菌体则能逃逸防御。这表明,CapRelSJ46不仅可以识别噬菌体的MCP,还能同时感知另一种完全不同的噬菌体蛋白Gp54Bas11。这一发现挑战了经典的'单一PRR-单一配体'模式识别概念,为理解细菌-噬菌体间的共进化动态提供了新视角。图1 Bas11中的Gp54是CapRelSJ46防御系统的激活剂作者利用拟CapRelSJ46是一种由毒素和抗毒素域组成的蛋白,其抗毒素域包含一个类似锌指结构的区域,这个区域决定了CapRelSJ46对特定噬菌体的识别。实验发现,野生型Gp54Bas11蛋白可以直接与CapRelSJ46的抗毒素域结合,而G24D突变体的结合能力大大降低。这表明CapRelSJ46的抗毒素域能够感知Gp54Bas11。将CapRelSJ46的抗毒素域替换为另一种CapRel同源体(CapRelEbc)的抗毒素域后,这种嵌合蛋白已经不能识别Gp54Bas11,也不能提供对Bas11噬菌体的防御。通过随机突变筛选,研究者发现CapRelSJ46抗毒素域中的几个关键氨基酸(如N275、L270、L276等)位于α-螺旋9区域,这些位点的突变会大幅降低Gp54Bas11对CapRelSJ46的激活作用。综上所述,CapRelSJ46的抗毒素域,特别是其中的α-螺旋9结构,在识别并结合Gp54Bas11蛋白方面起着关键作用,这为理解其独特的识别机制提供了重要线索。研究人员解析了Gp54Bas11蛋白的晶体结构,发现它具有一个独特的六支链β桶状结构,与之前预测的SECΦ27噬菌体的主capsid蛋白结构完全不同。作者还解析了CapRelSJ46与Gp54Bas11的复合物结构,发现Gp54Bas11与CapRelSJ46的抗毒素域中的假锌指结构域和锚定螺旋1区域发生广泛结合。在结合过程中,Gp54Bas11的结构发生了重大变化,其β1和β6链变得无序,而β1-β2间的长连接区形成了新的β链,与CapRelSJ46的β链形成一个新的八链反平行β片层,将CapRelSJ46的抗毒素域固定住。这种Gp54Bas11与CapRelSJ46的动态复合物形成过程,驱动了CapRelSJ46从自抑制状态向活性状态的转变,使其能够识别并修饰目标tRNA,从而限制细菌感染的噬菌体复制。综上所述,这一结构分析揭示了Gp54Bas11通过诱发CapRelSJ46构象变化来激活其抗病毒作用的独特机制。在Bas11噬菌体的Gp54Bas11蛋白是CapRelSJ46识别的唯一激活因子。但后来发现,即使删除了Gp54Bas11,Bas11噬菌体仍然不能完全逃脱CapRelSJ46的防御。通过进一步实验和全基因组测序,研究人员发现Bas11噬菌体的主胶囊蛋白(MCP)上的I115F突变也是CapRelSJ46识别的另一个激活因子。只有当Bas11同时丧失Gp54Bas11和MCP-I115F这两个激活因子时,才能完全逃脱CapRelSJ46的防御。此外，Gp54Bas11是一种更强大的CapRelSJ46激活因子,比SECΦ27自身的MCP导致更强的CapRelSJ46防御。当SECΦ27噬菌体同时携带Gp54Bas11和MCP两种激活因子时,对CapRelSJ46的防御更加强大,几乎无法出现逃逸突变体。总之,这些发现表明,Bas11噬菌体进化了两种独立的CapRelSJ46激活因子,这种'双重触发'机制使得CapRelSJ46很难完全被噬菌体突破,从而提高了细菌的抗病毒防御能力。在这项研究中，作者噬菌体Bas11中发现了CapRelSJ46的另一个蛋白质触发器。Gp54Bas11是一种由66个氨基酸组成的小蛋白，功能未知。尽管与MCPs缺乏序列和结构相似性，Gp54Bas11可以与CapRelSJ46的C端抗毒素结构域结合并直接激活它。两种蛋白质激活剂使用的界面重叠，但也涉及不同的区域。这些发现强调了锌指状结构域在与多种结构不同的蛋白质相互作用中的多功能性。使用这种混杂但仍有选择性的结构域作为噬菌体感染传感器，使单个防御蛋白能够对多个噬菌体触发器做出反应。综上所述,这个研究揭示了细菌-噬菌体共进化的一个新机制,即CapRelSJ46通过同时感知两种完全不同的噬菌体因子来实现强大的抗病毒防御。这为进一步理解细菌免疫系统的复杂性提供了新视角。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08039-y
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