文献速递 | 噬菌体与细菌“攻防”的近期研究

背景

本专题将首先介绍噬菌体如何通过反转录产生有毒基因的进攻策略。随后，我们将探讨噬菌体如何利用抗CRISPR蛋白来抵抗细菌的CRISPR-Cas防御系统。此外，本专题还将介绍一种来自肠球菌噬菌体的酶如何抑制移植物抗宿主病的发生。

1. 噬菌体通过与RNA和DNA结合的螺旋–转角–螺旋蛋白抵抗CRISPR

这一成果由新西兰奥塔戈大学Peter C. Fineran团队于2024年7月10日发表在《自然》杂志上。

研究人员发现调节因子抗CRISPR相关（Aca）2蛋白的HTH（螺旋-转-螺旋）结构域，通过两种机制来控制acr基因的表达：一是通过结合DNA调控Acr的转录合成，二是通过结合保守的RNA发夹结构和阻断核糖体的进入来抑制mRNA的翻译。约40 kDa的Aca2-RNA复合物冷冻电镜结构展示了，多功能 HTH 结构域如何从DNA结合位点特异性地识别RNA。

这两种机制共同作用，使得噬菌体能够在感染细菌后迅速产生acr蛋白来抵抗CRISPR-Cas防御系统，同时避免acr蛋白过度表达对噬菌体自身造成的毒性。鉴于含HTH结构域蛋白的普遍性，预计会有更多的含HTH结构域的蛋白通过DNA和RNA的双重结合实现调控。基因表达的调控都必须根据细胞的需要进行调整，这通常与含有螺旋-转角-螺旋结构域蛋白有关。例如，在细菌和噬菌体的竞争中，噬菌体抵抗CRISPR (acr)的基因在感染后迅速表达，从而逃避CRISPR-Cas的防御；转录随后被含有HTH结构域的抗CRISPR相关蛋白抑制，这可能是为了降低蛋白过表达所带来危害。

 文章还通过生物信息学分析和建模，发现类似Aca2的调节机制在多种噬菌体中普遍存在，这表明这种双重的DNA和RNA结合调控策略在噬菌体对抗细菌CRISPR-Cas防御系统中扮演着重要的角色。

图1 Aca2 抑制噬菌体 DNA 复制时 Acr 的快速爆发和积累

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07644-1

2. 噬菌体利用反转录从非编码RNA中产生有毒的重复基因

本成果由美国麻省理工学院张峰团队的研究发现于2024年8月29日发表于国际学术期刊《科学》杂志。

这篇文章揭示了噬菌体感染可以触发一种独特的基因组装过程，导致非编码RNA转变为有毒的重复基因。研究人员发现在DRT2防御系统中，反转录酶与邻近的假结非编码RNA结合。噬菌体感染后，该RNA的模板区域被逆转录为串联重复序列，该序列重塑了启动子和开放阅读框，导致毒性重复蛋白表达和终止感染反应。噬菌体感染激活了宿主细胞的反转录机制，将非编码RNA反转录成DNA，并将其插入宿主基因组中。这些重复基因的表达产物可能对宿主细胞造成毒性，从而抑制噬菌体的繁殖。该研究表明非编码RNA来源的合成基因是原核生物基因调控的一种新模式。这项研究揭示了噬菌体和宿主之间复杂的相互作用，并为开发新型抗菌策略提供了新的思路。

图2 ccDNA合成的分子机制

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq3977

3. 粪肠球菌噬菌体衍生酶可抑制移植物抵抗宿主疾病

日本大阪都立大学Satoshi Uematsu和东京大学Seiya Imoto课题组合作的最新研究发现于2024年7月10日发表在《自然》杂志上。

这篇文章研究了粪肠球菌（Enterococcus）与移植物抗宿主病（GVHD）之间的关系。研究人员分析了异体肝移植患者的肠道微生物组，发现粪肠球菌通过形成生物膜而非获得耐药基因来逃避清除并在肠道中增殖。研究人员从粪便样本中分离到细胞溶解酶阳性的高致病性粪肠球菌，并通过分析细菌的全基因组测序数据，发现了一种来自粪肠球菌特异性噬菌体的抗粪肠球菌酶。这种抗菌酶在体外和体内都对粪肠杆菌的生物膜具溶解活性，并在动物模型中抑制GVHD的发生。

因此，使用这种噬菌体衍生的抗菌酶可能为预防GVHD提供一种新方法，因为这种酶对形成生物膜的致病性粪肠球菌具有特异性且现有的抗生素很难消除这种病菌。利用噬菌体衍生的抗肠球菌酶可能为治疗GVHD提供新的策略。

图3 通过来自粪肠球菌特异性原噬菌体的噬菌体衍生抗菌酶来裂解生物膜

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07667-8

探讨细菌如何通过结合泛素样蛋白来干扰噬菌体的组装。我们将揭示细菌PARIS防御系统的结构和激活机制，以及细菌如何利用双酶复合物来抵抗噬菌体的入侵。

1. ATP酶-核酸酶双酶抗噬菌体防御复合物的分子和结构基础

中国科学院邓增钦研究小组取得一项新突破。2024年6月4日出版的《细胞研究》杂志发表了这项成果。

在细菌免疫应答中，偶联不同的酶效应物作为防御噬菌体感染的有效策略出现，例如在III型CRISPR-Cas系统中广泛研究的核酸酶和环化酶活性。然而，协同酶在其他细菌防御系统中的活性却知之甚少。本文揭示了细菌免疫系统中一种新型的双酶抗噬菌体防御系统 DUF4297-HerA 的分子和结构基础。DUF4297 和 HerA 分别编码一个假定的核酸酶和一个 DNA 螺旋酶蛋白，它们单独存在时活性极低。然而，当它们组装成一个超分子复合物时，DUF4297 的核酸酶活性和 HerA 的 ATP 酶活性都被激活，共同发挥抗噬菌体作用。结构分析表明，DUF4297 形成二聚体，HerA 形成一个非平面螺旋六聚体。DUF4297 和 HerA 通过层间二聚化组装成一个约 1 MDa 的大型复合物，其中两层 DUF4297 堆叠在 HerA 六聚体上方。HerA 在复合物中转变为平面六聚体，这使得其 ATP 酶活性得以发挥，并激活 DUF4297 的核酸酶活性。此外，DUF4297-HerA 复合物通过降解宿主和噬菌体 DNA 来防御噬菌体感染，并通过耗尽 ATP 来抑制病毒复制。总之，他们的发现不仅表征了一种新的双酶抗噬菌体防御系统(DUF4297-HerA )，还揭示了细菌免疫中通过合作复合物组装的独特激活机制。

图4 DUF4297–HerA 的抗噬菌体防御机制

原文链接：www.nature.com/articles/s41422-024-00981-w

2. 细菌结合泛素样蛋白来干扰噬菌体的组装

以色列魏茨曼科学研究所Rotem Sorek团队近期取得重要工作进展，相关研究成果2024年7月17日在线发表于《自然》杂志上。

据介绍，人类的几种免疫途径将泛素样蛋白与病毒和宿主分子相结合，作为抗病毒防御的一种手段。本文研究了一种细菌的抗噬菌体防御系统，该系统包含一个泛素样蛋白、泛素结合酶 E1 和 E2，以及一个去泛素化酶。研究发现，在噬菌体感染期间，该系统会将泛素样蛋白共价连接到噬菌体的中央尾部纤维上，这是一种对尾装配和宿主受体识别至关重要的蛋白质。感染后，携带该防御系统的细胞会释放部分组装的、无尾的噬菌体颗粒和完全组装的噬菌体，后者中央尾纤维被共价连接的泛素样蛋白阻断。这些噬菌体表现出严重的感染力下降，解释了该防御系统如何保护细菌群体免受噬菌体感染的传播。研究结果表明，泛素样蛋白的结合是一种在整个生命树中保守的抗病毒策略。

图5 Bil 防御系统以远亲噬菌体的尾尖蛋白为目标

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07616-5

3. 细菌PARIS防御系统的结构和激活机制获解析

美国加州大学Kevin D. Corbett、Amar Deep研究小组在研究中取得进展。这一研究成果发表在2024年8月7日出版的国际学术期刊《自然》上。

据介绍，细菌及其病毒（噬菌体）在进化过程中展开了激烈的竞争。虽然已知许多细菌抗噬菌体防御系统的机制，但对这些系统如何避免感染外的毒性，并在感染后迅速激活的机制却知之甚少。

研究人员揭示了细菌噬菌体反限制诱导系统（PARIS）作为毒素-抗毒素系统的运行过程，PARIS是一种毒-抗毒素系统，其中抗毒素AriA在不感染的情况下将毒素AriB隔离并使其失活，直到T7噬菌体反防御蛋白Ocr触发后释放AriB并激活它。

在未感染细胞中，AriA六聚体与AriB的三个单体结合，使它们处于非活性状态。与Ocr结合后，AriA六聚体发生结构重排，释放出AriB，使其能够二聚并激活。

AriB是一种toprim/OLD家族核酸酶，其激活会导致细胞生长停滞并抑制噬菌体传播，通过特异性切割赖氨酸tRNA来全局抑制蛋白质翻译。总之，该研究结果揭示了由噬菌体反防御蛋白诱导的细菌防御系统的复杂分子机制，并揭示了SMC家族ATP酶是如何发挥细菌感染传感器的功能，并突出了SMC家族ATP酶作为细菌感染传感器的适应性进化。

图6 AriB 抑制蛋白质合成

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07772-8