Nucleotides on the frontline: Nucleotide-centric defense systems reveal a core principle in bacterial antiviral immunity
细菌进化出了多种防御机制来抵抗噬菌体感染。尽管 CRISPR-Cas 和限制修饰系统已被研究数十年（ 1 , 2 ），但研究表明，细菌编码超过 150 种功能未知的防御系统（ 3-6 ）。在我的博士研究中，我从机制上解析了多种防御系统的功能，表明调控细胞内游离核苷酸池是细菌免疫系统的核心功能。我的研究发现了多种类型的防御系统，它们通过调控、降解或感知核苷酸种类来阻止感染，并揭示了此前未知的、能够修饰核苷酸和基于核苷酸的免疫信号分子的防御酶。
我的研究始于发现细菌的“防御岛”（富含抗病毒系统的基因组区域 ( 3 )）富含预测编码核苷酸处理结构域的基因。基于这一发现，我筛选了数十个候选的核苷酸操作防御系统，并发现其中许多系统确实能够防御大肠杆菌中的病毒感染。这些系统包括预测编码核苷酸环化酶、胞苷脱氨酶、脱氧鸟苷三磷酸酶 (dGTP 酶)、腺苷脱氨酶和其他核苷酸修饰酶的系统。随后，我开展了深入的机制研究，以阐明它们的功能。
我首先关注的是一类编码与腺苷酸环化酶序列相似蛋白的重要系统。功能分析表明，这些酶并不合成环磷酸腺苷（cAMP）或环磷酸鸟苷（cGMP），而是在噬菌体感染后生成环嘧啶——环磷酸胞苷（cCMP）和环磷酸尿苷（cUMP）。我和我的同事将这一防御系统家族命名为 Pycsar（抗噬菌体嘧啶环化酶系统），它存在于数百种细菌基因组中，并且经常与其他已知的防御基因共定位（ 7 ）。
我和我的同事发现，cCMP 和 cUMP 能激活下游效应蛋白，这些效应蛋白要么含有破坏膜完整性的跨膜结构域，要么含有降解氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD + ) 的 TIR 结构域。在这两种情况下，噬菌体复制都会通过宿主细胞的自毁而受阻，从而保护其余细菌免受感染。对这些环化酶的结构研究揭示了嘧啶特异性的分子基础，包括嘌呤底物的空间位阻和独特的催化位点特征 ( 7 )。
尽管诸如 cAMP 和 cGMP 之类的第二信使已被研究数十年，但我们的研究表明，环状嘧啶可以作为具有生物活性的第二信使发挥作用。该研究揭示了一种此前未被认识的基于核苷酸的免疫信号传导形式，扩展了已知在生命各个领域免疫中使用的小分子种类 ( 7 )。
在另一项研究中，我发现一些细菌防御系统通过在噬菌体感染时消耗脱氧核苷酸来保护细胞。我鉴定了两个此前未知的蛋白质家族：脱氧胞苷三磷酸（dCTP）脱氨酶和 dGTP 酶。这些酶在正常情况下处于非活性状态，但在噬菌体感染期间会被激活。它们迅速消耗 dCTP 或脱氧鸟苷三磷酸（dGTP），从而阻止噬菌体 DNA 复制（ 8 ）。
细菌抗病毒防御系统通过调控核苷酸池发挥作用。 三种机制不同的防御策略最终都指向游离核苷酸，从而抑制噬菌体复制。( A ) Pycsar（嘧啶环化酶系统，用于抗噬菌体）系统在噬菌体感染后合成环状胞苷单磷酸 (cCMP) 和环状尿苷单磷酸 (cUMP)，激活效应蛋白，诱导细胞死亡或氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD + ) 降解。CTP，胞苷三磷酸；UTP，尿苷三磷酸。( B ) 核苷酸耗竭系统，包括脱氧胞苷三磷酸 (dCTP) 脱氨酶和脱氧鸟苷三磷酸酶 (dGTPase)，在噬菌体介导的宿主转录阻滞后被激活，耗竭必需核苷酸以阻止病毒 DNA 复制。DNAP，DNA 聚合酶；RNAP，RNA 聚合酶。 ( C ) RADAR（腺苷脱氨酶对 RNA 的限制）系统形成超分子复合物，将（脱氧）腺苷三磷酸[(d)ATP]转化为（脱氧）肌苷三磷酸[(d)ITP]，从而破坏核苷酸的同一性并抑制噬菌体复制。这些系统共同表明，核苷酸操纵是细菌免疫的核心机制之一。
图表：改编自 N. TAL，作者 A. FISHER/ 科学
我和我的同事发现，这些系统的激活并非由一般的应激反应触发，而是由噬菌体编码的宿主劫持蛋白特异性地抑制细菌转录。因此，防御系统会监测宿主的转录活性，并通过触发核苷酸耗竭来特异性地响应噬菌体诱导的转录关闭，从而启动靶向代谢崩溃以终止感染（ 8 ）。
这项研究表明，细菌可以通过剥夺噬菌体必需的核苷酸底物来限制病毒复制。研究发现，这与人类 SAMHD1 蛋白的作用机制相似，后者通过消耗脱氧核苷三磷酸（dNTP）来阻断 HIV 病毒（ 9 ），这提示核苷酸消耗可能是一种保守的防御策略。该研究还发现了一类此前未被发现的细菌抗病毒酶，它们通过代谢破坏发挥作用。
这些发现提示细菌可能利用多种代谢策略干扰噬菌体复制，包括改变核苷酸的种类而非其丰度。RADAR（腺苷脱氨酶对 RNA 的限制）系统是一种抗病毒系统（ 4 ），由两种核心蛋白组成：RdrA，一种腺苷三磷酸酶（ATPase）；以及 RdrB，一种腺苷脱氨酶。我发现，在感染后，这些蛋白会迅速将（脱氧）腺苷三磷酸[(d)ATP]转化为（脱氧）肌苷三磷酸[(d)ITP]，从而破坏细胞的核苷酸代谢（ 10 ），但不会消耗细胞内的(d)ATP。基于这些观察结果，我和我的同事假设 RdrB 产生的肌苷衍生物会在细胞内积累，从而毒害核苷酸池，干扰病毒和宿主的复制。这种机制——将游离的典型嘌呤稳健地编辑成非典型形式——代表了细菌免疫中一种以前未被认识的策略。
值得注意的是，RADAR 在体外可组装成一个巨大的约 10 MDa 的颗粒。RdrB 形成一个十二聚体球状结构，具有 12 个暴露于表面的脱氨酶活性位点。RdrA 形成七聚体环，并与 RdrB 的表面对接。在完全占据的情况下，12 个 RdrA 环覆盖在十二聚体上，形成一个对称的巨型复合物。这种结构复杂性所带来的生物学优势尚不明确，但其规模和协调性可能使其在感染过程中能够快速且高效地发挥酶活性（ 10 ）。
RADAR 揭示了细菌可以通过组装大型多聚体机器来重编程中心代谢物，从而启动生化防御机制。它引入了一种此前未被认识到的抗病毒原理——靶向破坏核苷酸序列，而非消耗或信号传导。这项工作将已知的防御策略从小型效应分子扩展到包括协同酶系统（ 10 ）。
这些研究共同揭示了细菌抗病毒防御机制的一个统一主题：游离核苷酸不仅是代谢中间体，而且在感染过程中还作为活性底物、信号分子和脆弱点发挥作用。我的博士论文通过系统地发现和表征以核苷酸为中心的系统，证明了核苷酸调控是细菌免疫的核心且保守的机制。
在这些系统被发现之时，以核苷酸为中心的免疫机制尚未被公认为普遍原则。这项工作重塑了我们对细菌防御的理解，揭示了代谢调控是免疫的主要途径之一。此后，其他研究又发现了更多基于核苷酸的系统，包括 ATP 消耗酶（ 11 ）、新发现的脱氨酶（ 12 ）以及用于生成信号分子的 NAD + 修饰酶（ 13 ），从而验证并扩展了以核苷酸为中心的免疫框架（ 7 , 8 , 10 ）。
这些发现凸显了基因组挖掘与机制分析相结合如何揭示生物学中隐藏的层面。我的研究中描述的防御系统揭示了核心代谢过程如何被用于免疫功能。通过揭示核苷酸操控的多种策略，这项工作为研究高等生物（包括人类免疫系统）中类似的代谢原理奠定了基础。
致谢
我衷心感谢 R. Sorek 在整个研究过程中给予的指导和帮助。我也非常感谢 Sorek 实验室所有成员（包括现任和前任成员）多年来的合作、真知灼见和宝贵反馈。此外，我还要感谢 P. Kranzusch、B. Morehouse 和 B. Duncan-Lowey，以及 Kranzusch 实验室，感谢他们在多个项目上的合作。本研究在魏茨曼科学研究所完成。
传记
类别优胜者
尼赞·塔尔
尼赞·塔尔（Nitzan Tal）本科毕业于耶路撒冷希伯来大学，并在魏茨曼科学研究所获得博士学位。她目前是欧洲分子生物学实验室（EMBL Heidelberg）的博士后研究员，主要研究细菌如何应对环境中的威胁。www.science.org /doi /10.1126/science.aec9672
图片来源：魏茨曼科学研究所
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