细菌免疫系统感觉到了一种病毒蛋白

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题目：Direct activation of a bacterial innate immune system by a viral capsid protein

期刊：Nature

IF：69.504

发表时间：2022年11月16日

通讯作者单位：塔尔图大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05444-z

主要内容：

细菌已经进化出多样化的免疫系统来抵御病毒感染。其中许多系统需要特定的病毒触发器来激活，但这些触发器和它们的激活机制仍然大多是未知的。感觉到病毒结构蛋白的细菌免疫系统能够对病毒感染作出有效的免疫反应。

在真核生物--具有明确细胞核的生物体--先天免疫系统可以通过感知入侵的细菌和病毒的分子来检测感染。这些免疫系统在没有感染时必须保持沉默，但在感染时迅速激活，以抵御外来入侵者。细菌还面临着来自被称为噬菌体的入侵病毒的持续挑战。为了保护自己免受噬菌体感染，细菌已经进化出多种免疫机制。感知感染并被特别激活的能力对于一类被称为中止性感染系统的细菌免疫防御尤为关键，在这种系统中，防御机制杀死受感染的细胞，以防止病毒在群体中传播。这类系统的触发器，以及感知噬菌体感染的分子机制，在很大程度上是未知的。

为了研究噬菌体诱导的细菌先天免疫力的激活，作者专注于一种叫做CapRelSJ46的蛋白质，它可以保护细菌免受各种噬菌体的感染。CapRelSJ46含有一个抑制蛋白质翻译的酶结构域，因此对细胞具有毒性。然而，这个结构域通常被该蛋白的另一个调节结构域所抑制。利用一种叫做X射线晶体学的技术和计算蛋白质结构预测，我们发现CapRelSJ46可以采取两种构象状态：非活性的封闭状态和活性的开放状态。作者提出，从封闭到开放的构象转换是该蛋白激活的关键。

为了确定激活这种细菌免疫系统的噬菌体编码触发器，作者使用了一种实验方法来驱动噬菌体的进化，使其感染怀有CapRelSJ46的细菌。我们确定了进化的噬菌体的基因序列，并发现它们在编码主要帽膜蛋白的基因上发生了突变，帽膜蛋白是噬菌体 "外壳 "中最丰富的结构蛋白。野生型噬菌体的主要帽膜蛋白激活了CapRelSJ46，而进化型噬菌体的突变体则没有。通过生物化学和结构分析，作者发现主要的帽膜蛋白与CapRelSJ46的调节域结合，以稳定CapRelSJ46的开放、活性状态。这种开放状态使CapRelSJ46能够抑制翻译，从而发挥中止感染系统的作用，杀死受感染的细胞，防止病毒在细菌群体中传播。

此外，作者比较了一个密切相关的噬菌体家族的成员，发现它们的帽膜蛋白可能受到选择性的进化压力而变得多样化。这种多样化可能使噬菌体能够逃避细菌的防御，同时保持生存能力，进一步支持噬菌体和细菌之间的激烈 "军备竞赛"。

作者证明了CapRelSJ46直接感知主要的帽膜蛋白--噬菌体的一个丰富的、基本的和进化上保守的组成部分。作者的研究以及其他工作表明，主要的帽膜蛋白和其他噬菌体结构蛋白可能作为不同的反噬菌体防御系统的共同触发因素。与真核细胞如何感知外来入侵者的保守和关键成分类似，细菌对噬菌体结构成分的感知可能有助于确保细菌免疫系统仅在感染后被激活。这种感应策略也限制了病毒为逃避细菌的防御而获得的突变的数量，同时保持活力。值得注意的是，一些感染真核生物的病毒的外壳蛋白可以刺激哺乳动物的先天免疫系统。因此，作者的结果表明，细菌和真核生物在感知病原体方面有着相似的原则。

结构蛋白已被认为是各种抗噬菌体防御系统的触发器。但这些蛋白是否作为其他防御系统的直接触发器，还需要进一步调查。此外，尽管结构蛋白可能是有效的触发器，但鉴于噬菌体与细菌的激烈共同进化，防御系统可能也需要依赖其他触发器。未来的调查将旨在确定防御系统的替代触发器，并了解这些系统激活的分子机制。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05444-z

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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