Nature | 噬菌体与细菌的“军备竞赛”——噬菌体通过重新合成NAD+抵抗宿主防御

撰稿 | 阿童木

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）及其还原形式NADH是所有生命核心代谢过程中所必需的代谢物。在大多数细菌中，NAD⁺是氧化还原反应中的关键辅因子，缺乏NAD⁺会导致氧化磷酸化、氨基酸合成和脂肪酸合成等途径的活性丧失【1】。NAD⁺还被证明在蛋白质翻译后修饰和DNA连接过程中具有重要作用【2】。最近的研究表明，NAD⁺代谢对细菌响应噬菌体的防御机制至关重要，某些细菌的防御系统在检测到噬菌体感染后，会通过消耗细胞中的NAD⁺导致NAD⁺耗竭而阻止噬菌体的传播【3】。这些防御系统包括原核pAgo、I型Thoeris、AVAST、CBASS、DSR1、DSR2、SIR2-HerA、SEFIR以及其他与NAD⁺消耗有关的蛋白质效应因子。有研究表明通过对微生物基因组中防御系统的分析，发现至少7%的已测序细菌基因组中携带的防御系统组分会在噬菌体感染时导致细菌NAD⁺的大量消耗【4】。

一旦这些诱导NAD⁺耗竭的细菌防御系统检测到噬菌体感染，它们便会将NAD⁺裂解为ADP核糖（ADPR）和烟酰胺【5】，这种NAD⁺的消耗会剥夺噬菌体对NAD⁺的摄取，从而阻碍其复制。由于细胞中没有已知的途径可以直接利用这些分子重新合成NAD⁺，因此这种裂解是一个有效的、甚至不可逆的NAD⁺消耗方式。此外，在感染过程中NAD⁺的耗竭不仅阻止了噬菌体的传播，还可能通过激活噬菌体裂解机制导致细胞的提前裂解。虽然噬菌体会编码多种蛋白质以对抗细菌防御系统，但噬菌体能否以及如何应对NAD⁺耗竭的，目前仍亟待研究。

近日，以色列魏斯曼科学研究所Rotem Sorek实验室领衔在Nature杂志发表了题为Phages reconstitute NAD⁺ to counter bacterial immunity的研究文章，发现了一种噬菌体对抗细菌防御的新策略，即通过NARP1和NARP2介导的NAD⁺重新合成途径，抵抗宿主面对噬菌体感染时主动耗竭NAD⁺的防御体系。NARP1在噬菌体感染含NAD⁺耗竭系统的细菌时激活，而NARP2则在任何感染时都能生成NAD⁺，但代谢成本更高。本研究揭示了两种新发现的噬菌体NAD⁺重新合成途径使噬菌体能够抵抗细菌NAD⁺耗竭型防御系统，体现了“噬菌体-细菌”这一“军备竞赛”的复杂性和可塑性。

在分析BASEL噬菌体基因组时，作者注意到4种噬菌体中反复出现了一种双基因操纵子。根据Pfam注释，这两个基因涉及NAD⁺生物合成途径中生化中间体的合成。为了探明噬菌体中这一双基因操纵子的作用，作者将其从BASEL噬菌体Bas63中敲除，发现敲除双基因操纵子的Bas63菌株在琼脂板上形成的噬菌斑减少了约20倍，表明大肠杆菌SIR2–HerA防御系统能够消灭突变噬菌体，也说明该噬菌体双基因操纵子能够对抗细菌的SIR2–HerA防御体系。此外，突变型噬菌体感染的细胞中，NAD⁺水平显著降低，而野生型Bas63感染后的细胞中，NAD⁺的消耗较少，表明噬菌体能够部分克服SIR2–HerA防御系统所引发的NAD⁺耗竭。相比之下，野生型Bas63虽然能够感染大肠杆菌，但SIR2–HerA防御系统在噬菌体识别后会诱导NAD⁺的耗竭，抑制噬菌体繁殖。

为了进一步研究这两个噬菌体基因在感染过程中是如何维持NAD⁺水平的，作者使用非靶向质谱技术检测了感染野生型Bas63噬菌体或突变型噬菌体的细胞中的代谢物变化，发现有两种分子只在具有SIR2–HerA防御系统且被野生型Bas63噬菌体感染的细胞中观察到，其中一种分子具有ADPR焦磷酸化形式（ADPR-PP），另一种为ADPR环状磷酸酯（ADPR-cP），这很可能是ADPR-PP的自发环化产物。通过酶活性分析和体外表达验证，作者解析了噬菌体Bas63的“双酶机制”是如何在ATP的作用下，将ADPR和烟酰胺转化为NAD⁺的，这一过程涉及两个步骤：首先通过ADPR-PP合成酶（Adps）将ADPR焦磷酸化为ADPR-PP，然后由烟酰胺ADPR转移酶（Namat）将烟酰胺与ADPR-PP结合生成NAD⁺。这一新发现的噬菌体NAD⁺重新合成通路（NARP1）展示了噬菌体是如何通过重新合成NAD⁺来抑制细菌的NAD⁺耗竭型防御体系。

噬菌体通过NARP1系统有效地合成NAD⁺，从而克服了NAD⁺耗竭型细菌防御系统（如SIR2、TIR和SEFIR结构域相关的防御系统）。作者发现当NARP1与不同的NAD⁺消耗型防御系统（如Thoeris、DSR1、DSR2和SEFIR）共同表达时，这些防御系统的效果会被削弱。然而，NARP1对不依赖NAD⁺消耗的防御系统（如II型Thoeris系统）无效，这进一步表明NARP1特异性对抗依赖于诱导NAD⁺耗竭的细菌防御系统。

通过分析噬菌体酶Adps与细菌酶Prs的进化关系，作者发现Adps与Namat一起构成了NARP1通路，能够帮助噬菌体合成NAD⁺，从而对抗细菌的防御系统。虽然Adps和Prs同源，但Adps进化为利用ADPR而非RP作为底物，这种机制几乎只在噬菌体中出现。研究还表明，NARP1存在于大量的噬菌体中，约占已测序噬菌体的4.3%，并且能够广泛抵御多种基于NAD+耗竭的细菌防御系统。

不仅如此，作者还发现了另一条噬菌体抵抗宿主NAD⁺耗竭型防御系统的途径，称为NAD⁺重建途径2（NARP2），NARP2由Nampt和Nmnat两种酶组成。大多数NARP2相关的Nampt蛋白与Adps无关，并且这些酶之间具有同源性，但在功能上可能不同。利用弧菌噬菌体KVP40中的Nampt和Nmnat酶进行实验验证，作者发现它们可以通过不同于NARP1的机制生成NAD⁺，从而对抗NAD⁺耗竭型宿主防御系统。当KVP40的Nampt和Nmnat基因被引入噬菌体时，它们能够有效抵御不同类型的防御系统，并显著提高NAD⁺水平。NARP2存在于约1.1%的已测序噬菌体基因组中，但作者没有发现任何同时编码NARP1和NARP2的噬菌体。

综上所述，本研究揭示了一种独特的噬菌体针对宿主细菌的防御策略，该策略通过重新合成NAD⁺来应对宿主诱导的NAD⁺耗竭型防御机制。NARP1和NARP2是两种主要的噬菌体NAD⁺重建途径，能够利用不同的底物（如ADPR和PRPP）来生成NAD⁺。NARP1仅在感染具有NAD⁺耗竭型防御系统的宿主细菌时激活，而NARP2在任何感染情况下都可能导致NAD⁺过量生成，因而对噬菌体的代谢成本更高。本研究拓展了我们对噬菌体与宿主菌防御系统之间复杂的“军备竞赛”的理解。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07986-w

制版人：十一

1. Chen, Y. et al. From bacteria to biomedicine: developing therapies exploiting NAD⁺ metabolism. Bioorg. Chem. 142, 106974 (2024).

2. Wilkinson, A., Day, J. & Bowater, R. Bacterial DNA ligases. Mol. Microbiol. 40, 1241–1248(2001).

3. Rousset, F. et al. A conserved family of immune effectors cleaves cellular ATP upon viral infection. Cell 186, 3619–3631 (2023).

4. Millman, A. et al. An expanded arsenal of immune systems that protect bacteria from phages. Cell Host Microbe 30, 1556–1569 (2022).

5. Garb, J. et al. Multiple phage resistance systems inhibit infection via SIR2-dependent NAD⁺ depletion. Nat. Microbiol. 7, 1849–1856 (2022).

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