Science | 原核生物抗病毒免疫系统大揭秘——工具酶的新宝库?

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撰文 | 木兰之枻

责编 | 兮

面对噬菌体为代表的“入侵者”,原核生物同样需要抗病毒免疫系统实现自我保护。这类抗病毒免疫系统中,最为人熟知的当属如今在基因编辑领域大放异彩的CRISPR系统,以及在分子克隆实验中广泛应用的限制性内切酶系统。CRISPR系统的成功及高通量测序技术的飞速发展让众多研究者投身于原核生物抗病毒免疫系统的筛查。2018年,Rotem Sorek团队从4.5万种细菌/古细菌基因组中发现了多种新型抗病毒免疫系统,并提出“防御岛”的概念,意指原核生物基因组中,参与抗病毒免疫的众多基因通常彼此相邻,聚集成簇【1】。这类研究一方面为新工具开发提供了丰富的资源库,也让研究者意识到,原核生物抗病毒系统的多样性仍有待进一步发掘。如今随着宏基因组测序的深入,原核生物基因组的数据呈爆炸式增长,其中潜在的抗病毒免疫系统值得更全面的筛查和分析。

近日,来自麻省理工学院Broad研究所的张锋实验室在原核生物抗病毒免疫系统的研究中又有新发现,他们在Science发表题为Diverse enzymatic activities mediate antiviral immunity in prokaryotes的论文。文章通过设计新的筛选策略,对数据库中6.2亿种细菌/古细菌蛋白进行挖掘和验证,发现了29种新的抗病毒基因簇。这一系列新型抗病毒免疫系统有着更加多样化的关键酶种类,之前与抗病毒防御毫无相关性的蛋白酶,如参与RNA编辑的腺苷脱氨酶、逆转录酶以及参与卫星DNA合成的反转录子(retron),被证实是多种抗病毒免疫系统的核心组分。这进一步加深了研究者对原核生物抗病毒免疫系统的多样性的认识,并为生物医学研究新工具的开发提供了更庞大的资源库。

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要在浩如烟海的细菌/古细菌数据库中发现新的抗病毒免疫系统,合适的筛选策略是关键。考虑到抗病毒免疫系统的多样性,研究者筛选时不再依赖于功能域的注释,而是借助“防御岛”的概念,对与已知抗病毒系统相邻的基因进行初筛和聚类。在此基础上研究者筛得60万种潜在的“种子”系统,而后的整体结构分析则进一步筛选出数千种包含未知功能域或与已知抗病毒基因功能域无关的新系统(图1)

图1:筛选策略

为证实筛选的可靠性,研究者通过异源重组的策略验证了48种新系统的抗病毒能力,结果发现29种有明显的抗病毒活性。而且这一系列新的抗病毒系统在原核生物中广泛存在:所有基因组明确的细菌/古生菌中,约1/3都至少包含一种新的系统。

随后,研究者深入解析了三大类新的抗病毒免疫系统——RADAR系统、DRTs逆转录酶系统和反转录子系统,以此拓展我们对抗病毒免疫系统多样性的认识和了解。

RADAR系统拥有两大关键酶--ATP酶和腺苷脱氨酶,该系统对双链DNA噬菌体有很强的杀伤力。考虑到从未有研究报道脱氨酶与抗病毒免疫相关,本研究对RADAR系统的综合分析意义重大。多数RADAR系统只包含ATP酶和腺苷脱氨酶两种组分,少部分还有具SLATT功能域的小型膜蛋白或CRISPR辅助蛋白Csx27。细菌转录组分析指出,RADAR系统的腺苷脱氨酶能在RNA水平介导腺嘌呤(A)的脱氨基化,从而诱导A-G突变。研究还发现,腺苷脱氨酶的RNA编辑活性依赖于噬菌体的感染,其编辑位点在细菌转录组中分布广泛,其中部分高活性位点还具有独特的茎环结构。

逆转录酶为核心的抗病毒系统DRTs同样对双链DNA噬菌体有很强的杀伤力。不同类型的DRTs系统各有其特点:部分DRTs依赖于一种关键酶,而其它DRTs可能需要多种蛋白协作发挥抗病毒功能。转录组分析指出,不同类型的DRTs对噬菌体基因表达有不同的调控效果,其中1型DRT主要抑制噬菌体后期基因的表达,而3型DRT则对所有噬菌体基因均有明显的抑制效果。

反转录子(retrons)是一种独特的逆转录酶系统,能介导染色体外卫星DNA (即多拷贝单链DNA,msDNA) 的生成。实际上,反转录子早在30年前便为研究者所熟知,并被改造用于细菌基因组工程的研究,但其生物学功能一直成谜。研究者在此指出,反转录子能通过介导msDNA的合成助力细菌抵抗双链DNA噬菌体感染。进一步分析指出,msDNA的结构对反转录子介导的抗病毒免疫非常关键。

总体而言,本研究极大的拓展了我们对原核生物抗病毒免疫系统多样性的认识,其意义不仅在于参与原核生物抗病毒免疫关键酶种类的拓展,还在于其为未来生物医学研究技术及工具的开发提供了丰富的资源库:新的抗菌治疗策略、核酸编辑技术、分子诊断技术及细胞靶向杀伤策略或藏身其中,有待研究者披沙拣金,慧眼识珠。

https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1077

制版人:十一

参考文献

1. Doron, S. et al. Systematic discovery of antiphage defense systems in the microbial pangnome.Science359 (2018).

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