ADP-核糖基转移酶广泛存在于生物界中，它负责将NAD+的ADP-核糖基团转移到其他生物大分子上【1-3】。通常来说，ADP-核糖基化主要发生在蛋白质的翻译后修饰中，该修饰可参与调节细胞信号、染色质和转录、DNA修复及其他多种生理过程。部分ADP-核糖基转移酶在病毒感染时被诱导，因此被认为可能具有抗病毒功能，但它们的确切作用和机制仍未明确。近日，来自美国MIT的Michael T. Laub课题组在Nature上发表了研究论文Anti-viral defence by an mRNA ADPribosyltransferase that blocks translation。在本研究中，作者发现了一种 ADP 核糖基转移酶 CmdT，它通过特异性修饰 mRNA 来阻止噬菌体的翻译和成熟病毒的产生，从而在细菌的抗噬菌体防御中发挥作用。近期有研究发现，ADP-核糖基转移酶的作用靶点也可以是核酸，例如DarT毒素可以修饰单链DNA、铜绿假单胞菌的RhsP2修饰双链RNA以及Photorhabdus laumondii的一种VI型分泌器效应子可修饰23S核糖体RNA等【4-6】。作者在前期的研究筛选到一个抗噬菌体的三方防御系统，这个系统包含了毒素-抗毒素-伴侣蛋白（TAC）【7】。由毒素CmdT组成的这个TAC抗病毒系统可使大多数Tevenirinae 噬菌体的感染效率大幅度降低，而对其他类型噬菌体不具有抵御作用。通过结构和功能分析，作者发现毒素CmdT可能具有ADP-核糖基转移酶的功能，这就指引着作者去研究ADP-核糖基转移酶在病毒感染时的具体作用。他们首先对CmdTAC系统的抗病毒作用进行了分析，发现CmdTAC系统的作用机制与Abi机制一致，Abi机制是一种抗噬菌体防御策略，其中细菌在被噬菌体感染后，通过自我牺牲来阻止噬菌体的复制和扩散。在这种机制下，受感染的细菌停止生长或自我抑制，从而阻止噬菌体在其内部完成生命周期并生成新的噬菌体颗粒，进而保护了周围的细菌群体。因此，CmdTAC系统表现出的防御特性符合Abi机制的特征：它通过在感染后阻断噬菌体的增殖来实现防御，而不是直接摧毁噬菌体。结构和功能分析发现，CmdT具有ADP-核糖基转移酶的典型结构，特别是与铜绿假单胞菌外毒素A的催化结构域相似；抗毒素CmdA含有N端的两个α螺旋结构和一个长的无序C末端区段，可能参与稳定CmdT；伴侣蛋白CmdC则具有SecB样四聚体结构，类似于TAC系统中普遍存在的伴侣蛋白SecB，可能在系统中起到促进抗毒素稳定的作用。CmdTAC系统中的三个蛋白可以组成一个异源六聚体复合物。CmdT是一种ADP-核糖基转移酶，其毒性通过CmdA抗毒素中和。CmdA的稳定性依赖于CmdC的伴侣作用，但在缺少CmdC时，CmdA会被细菌蛋白酶ClpP降解，从而释放出CmdT的毒性。在没有噬菌体的情况下，CmdTAC形成了一个稳定的复合物，以防止CmdT毒性的发挥；而在噬菌体感染时，通过ClpP蛋白酶降解CmdA，从而释放并激活CmdT毒素。这一机制确保了CmdTAC系统仅在受到感染时激活CmdT，发挥抗噬菌体防御功能。接下来，作者进一步筛选突变噬菌体以研究逃避CmdTAC系统的防御机制。研究发现，T4噬菌体的主要衣壳蛋白Gp23突变抑制了CmdT的毒性并导致CmdA的累积，类似于CmdC过表达的效果。他们认为Gp23是CmdTAC系统的激活因子，在噬菌体感染期间，Gp23与CmdC相互作用，导致CmdA被降解并释放CmdT，从而激活CmdTAC系统对噬菌体的防御作用。在明确了CmdTAC系统在噬菌体感染时的激活机制后，研究人员又探究了CmdTAC是如何发挥抗噬菌体感染的作用。结果表明，CmdT是一个专门修饰RNA的ADP-核糖基转移酶，特异性靶向mRNA进行ADP-核糖基化。CmdT的这种RNA靶向活性在T4噬菌体感染期间被Gp23激活，并且依赖于Gp23的伴侣蛋白Gp31的辅助来实现有效的RNA修饰，从而阻止噬菌体在宿主细菌中的增殖。更深入的研究CmdT毒素如何通过mRNA的ADP-核基糖化抑制噬菌体T4的增殖后，作者发现CmdT介导的ADP-核基糖化mRNA来阻断翻译，从而阻止T4进入其生命周期的后期，导致无法产生成熟的子代噬菌体。CmdT在单链mRNA中的GA二核苷酸序列上对腺苷的N6位进行ADP-核糖基化修饰。这种特异性修饰是CmdT阻断mRNA翻译并干扰噬菌体增殖的机制核心。总的来说，这项研究揭示了一种由ADP-核糖基转移酶介导的新型抗病毒防御机制，这种ADP-核糖基转移酶以mRNA为修饰靶标，通过阻碍mRNA翻译实现抑制噬菌体增殖的作用。https://doi.org/10.1038/s41586-024-08102-8制版人：十一
1. Daugherty, M. D. & Malik, H. S. Rules of engagement: molecular insights from host-virus arms races. Annu. Rev. Genet. 46, 677–700 (2012).
2. McLaughlin, R. N. & Malik, H. S. Genetic conflicts: the usual suspects and beyond. J. Exp. Biol. 220, 6–17 (2017).
3. Georjon, H. & Bernheim, A. The highly diverse antiphage defence systems of bacteria. Nat. Rev. Microbiol. 21, 686–700 (2023).
4. Jankevicius, G., Ariza, A., Ahel, M. & Ahel, I. The toxin–antitoxin system DarTG catalyzes Reversible ADP-ribosylation of DNA. Mol. Cell 64, 1109–1116 (2016).
5. Bullen, N. P. et al. An ADP-ribosyltransferase toxin kills bacterial cells by modifying structured non-coding RNAs. Mol. Cell 82, 3484–3498.e11 (2022).
6. Jurėnas, D. et al. Photorhabdus antibacterial Rhs polymorphic toxin inhibits translation through ADP-ribosylation of 23S ribosomal RNA. Nucleic Acids Res. 49, 8384–8395 (2021).
7. LeRoux, M. & Laub, M. T. Toxin–antitoxin systems as phage defense elements. Annu. Rev. Microbiol. 76, 21–43 (2022).
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