扩大的免疫系统库，保护细菌免受噬菌体侵害

Zhanglab

细菌抗噬菌体系统经常聚集在微生物基因组中，形成防御岛。这一特性使得最近基于其与已知系统的基因组共定位的多种防御系统的发现成为可能，但抗噬菌体机制的完整库仍然未知。2022年10月26日Rotem Sorek的研究团队在Cell Host & Microbe上发表了一篇名为An expanded arsenal of immune systems that protect bacteria from phages的文章，该文章通过对多个保护细菌免受噬菌体侵害的防御系统进行鉴定和结构域分析，并显示它们参与细菌防御，这些数据大大扩展了细菌用来抵抗噬菌体感染的防御系统库。

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最近的研究表明，原核泛基因组编码的防御武器库比最初预期的要丰富得多。这些研究依赖于防御系统在细菌和古菌基因组上共定位的趋势，形成“防御岛”。作者通过检查防御岛中富含的基因簇，发现了 21 个系统。其中一些系统与参与抗病毒先天免疫功能的人类基因具有同源性，这意味着这些功能可能是从原核噬菌体防御系统进化而来的。

作者首先通过噬菌斑测定实验，筛选出了21个保护细菌免受该组中至少一种噬菌体的侵害的防御系统（表1）。作者特别关注了其中的一些与参与动物细胞自主先天免疫系统抗病毒反应的蛋白质具有同源性的系统。包括一些产生类似于干扰素刺激基因 15 (ISG15) 的蛋白质、动力样蛋白质和 SEFIR 结构域蛋白质的系统，作者认为这些系统它们可能指出人类抗病毒机制和细菌免疫之间的进化联系。

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人类对病毒感染的反应涉及干扰素介导的数百种抗病毒基因的上调。干扰素刺激基因 15 (ISG15)是其中一种。 ISG15 是一种泛素样蛋白，可以与许多病毒和宿主蛋白结合保护动物细胞免受多种病毒的侵害，但确切的保护机制目前尚不清楚。作者发现了一个 4 基因防御系统，其中包含 ISG15 的同源物，以及与泛素结合酶 E1 和 E2 同源的基因（图 1A）。该操纵子中的第四个基因与 JAB/JAMM 家族的泛素去除酶具有同源性（图 1A）。作者使用诱导型启动子下从几种不同的α-和β-变形菌物种克隆了该系统，表达来自 Collimonas、Caulobacter、Cupriavidus、Paraburkholderia 或 Thiomonas 的原核 ISG15 样系统的大肠杆菌可免受多种噬菌体的感染（图 1B）。ISG15 同源物 (G163A) C 端保守甘氨酸的点突变后完全失去了防御作用（图 1C）。此外，E1结构域预测活性位点（C385A，预测使ISG15结合失活）中保守半胱氨酸的点突变，以及E1结构域预测腺苷酸化位点（G219A）的点突变削弱了抗噬菌体能力（图1C）。含有 JAB 结构域的蛋白质的预测活性位点的单个突变也会损害防御能力（图 1C）。这些结果意味着，与动物抗病毒 ISG15 一样，细菌 ISG15 与靶蛋白的缀合可能对于防御活性至关重要。目前，动物和细菌 ISG15 的抗病毒作用机制仍不清楚。但作者认为，由于细菌-噬菌体实验系统的简单性，理解细菌的机制可能会更简单。

另一个与真核动力蛋白相似的蛋白是一种名为 dynA 的动力家族基因所表达的蛋白。作者通过研究检测到两个连续的动力样蛋白的操纵子始终存在于细菌防御岛的防御系统旁边（图1D）。通过 X 射线晶体学显示其编码具有动力样结构的蛋白质，并且由于其位于致病岛而被认为与细菌毒力有关，作者通过实验验证了该系统的抗噬菌体能力（图 1E）。尽管目前尚不清楚该操纵子的防御机制，但推测它的功能与动物免疫系统中的 Mx 蛋白类似。

Toll/IL-1 受体 (TIR) 结构域与动物细胞SEFIR 结构域具有结构相似性，SEFIR 结构域也在原核生物中被发现，来自蜡样芽孢杆菌的 SEFIR 结构域的晶体结构与人类 IL-17R SEFIR 具有高度的结构相似性。作者发现发现细菌 SEFIR 蛋白在防御岛中富集，这表明其在细菌免疫中具有特定作用。当其在枯草芽孢杆菌中表达时，NIO-1130 具有针对噬菌体 phi29 的防御能力（图 1F 和 1G）。当预测参与 SEFIR-SEFIR 相互作用的氨基酸 (D40A) 发生突变时，防御被废除，这表明这种相互作用对于抗噬菌体防御是必要的。目前尚不清楚真核生物的 SEFIR 结构域是否从原核生物进化而来，但SEFIR 和 TIR 结构域之间的同源性表明这些结构域可能通过类似的机制发挥作用。为了测试 SEFIR 是否同样能够通过流产感染进行防御，作者进行了感染实验。感染低感染复数 (MOI) 的培养物免受噬菌体介导的裂解，而感染高 MOI 的培养物甚至比不表达该系统的培养物更早崩溃 (图 1H)。这种表型是流产感染系统的典型表现。

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之后作者又介绍了一个包含SMC 蛋白的多样化的Lamassu 样系统，作者通过分析检索到了编码染色体结构维持 (SMC) 家族蛋白的多个操纵子（图 2A）。发现原始的I型和II型Lamassu系统只是细菌和古菌基因组中常见的Lamassu样防御系统大家族的一个子集。该家族的其他成员均编码 lmuB SMC 基因，其中大多数还编码 lmuC 基因。然而，lmuA 中的核酸内切酶结构域可以被其他结构域取代，包括 PDDEXK 和 Mrr 家族的核酸内切酶结构域、sirtuin (SIR2) 结构域以及其他水解酶、蛋白酶和单加氧酶结构域（图 2A）作者认为家族的系统很可能都通过流产感染来防御噬菌体。作者选择了 Lamassu 家族扩展的 6 个实例进行实验测试。其中，四个系统显示出对大肠杆菌和/或枯草芽孢杆菌噬菌体的防御作用（图 2B）。这些系统的防御都依赖于功能性 SMC 蛋白，因为 SMC 基因的 ATP 酶活性位点的点突变消除了防御能力（图 2C）。这些系统效应域的突变以及 lmuC 的删除都使其失去防御作用，表明所有组件都是防御功能所必需的（图 2C）。液体培养中的感染表明，当以低 MOI 提供噬菌体时，Lamassu 样系统可以保护培养物，但当以高 MOI 添加噬菌体时，培养物会崩溃（图 2D），这证实了除 DdmABC 之外的其他 Lamassu 样系统II 型 Lamassu也通过流产感染发挥作用。

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除了上述系统之外，这里还发现了多个其他系统（图 3），例如，包含具有 COG1112 家族的 RNA 解旋酶结构域和预测的 PLD 家族核酸酶结构域基因的Mokosh系统家族，（图 3A）作者的实验中三个组的 Mokosh 系统显示出对大肠杆菌噬菌体的防御作用（图 3B）。而解旋酶 ATP 结合域的突变以及 PLD 核酸酶活性位点的突变消除了防御作用（图 4）

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最后作者对其在研究中提到的防御系统进行了统计分析，作者在 3,895 个基因组中的 3,688 个基因组中发现了 22,610 个防御系统（图 5A）。其中，12.2% 是本研究中描述的系统（图 5B）。作者发现细菌和古细菌每个基因组平均拥有 5.8 个防御系统，平均有 15.4 个基因用于防御。从系统发育的角度来看，有几个门很大程度上偏离了这个平均值。例如专性细胞内物种衣原体的基因组不编码任何已知的防御系统，（图 5C）。相比之下，蓝藻基因组平均编码 13.8 个防御系统，并且平均值周围的分布非常广泛（图 5C）。作者发现 Crenarchaeota 门的基因组几乎完全依赖 CRISPR 作为防御机制，只有 6 个基因组编码额外的 RM 系统，没有其他系统。相比之下，广古菌门物种编码多种系统，每个基因组平均有 7.5 个系统。一些基因组编码了大量的防御系统。例如，Anabaena cylindrica PCC 7122 编码 13 个 RM 位点、10 个 CRISPR 位点和 20 个附加防御系统，这些系统分布在整个基因组的防御岛中（图 5D）。这种生物体似乎投入了至少 132 个基因来防御噬菌体。在某些生物体中，作者在当前研究中报告的系统构成了防御武器库的很大一部分（图 5D）。

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作者的研究数据大大扩展了细菌用来抵抗噬菌体感染的防御系统库，为研究原核到人类免疫系统的进化提供了更多的数据