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Nature | 细菌中的CARD结构域：抗噬菌体防御的新发现

BioArt · 公众号 · 生物 · 2025-02-14 17:30

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撰文 | Qi

细胞死亡机制一直是一个备受关注的话题，在动物细胞中，细胞焦亡（pyroptosis）是一种由gasdermin蛋白介导的程序性细胞死亡方式，通常由NLR蛋白家族识别病原体后触发。这一过程涉及 CARD （Caspase Recruitment Domain）结构域，它通过招募和激活caspase蛋白酶，进而激活gasdermin蛋白，形成膜孔，导致细胞死亡并释放炎症因子。然而，近年来科学家们发现，gasdermin蛋白不仅存在于动物细胞中，还在细菌中广泛存在，并初步显示出对噬菌体感染的保护作用 【1】 ，但防御机制尚不清楚。

近日，来自魏茨曼科学研究所的 Rotem Sorek 团队等在 Nature 杂志上合作发表了文章 CARD domains mediate anti-phage defence in bacterial gasdermin systems ，他们证明细菌中的gasdermin系统在噬菌体感染后会被激活，形成膜孔并导致细胞死亡，从而阻止噬菌体的复制和进一步传播，而CARD结构域在这一过程中起到了至关重要的作用，它不仅介导了gasdermin的激活，还参与了多种抗噬菌体防御系统中的蛋白质相互作用，强调了CARD结构域在细菌和动物细胞中的功能具有高度保守性，暗示了其在细胞死亡机制中的古老起源。

为了研究细菌gasdermin系统在噬菌体感染中的作用，该团队将表达 Lysobacter （溶杆菌） gasdermin系统的大肠杆菌与表达GFP的对照细胞混合，并用噬菌体T6感染这些细胞。通过延时显微镜观察发现表达gasdermin系统的细胞在感染后45分钟开始出现膜损伤并在整个实验期间维持此受损状态，提示gasdermin介导的膜损伤在噬菌体复制周期完成之前导致细胞死亡，而对照细胞则在100分钟左右被噬菌体裂解。为了解gasdermin的活化机制，他们检测了 Lysobacter gasdermin操纵子中的基因，发现除了编码gasdermin的基因外，还有两个连续的编码胰蛋白酶样结构的基因和编码ATP酶的基因，此外，蛋白酶样结构的N端还有一个大约100个氨基酸的与CARD结构具有高度相似性的结构域，删除该域后，gasdermin蛋白无法被蛋白酶切割和激活，也不会造成噬菌体感染后细菌的膜损伤，导致抗噬菌体防御功能的丧失。

图1. 细菌中gasdermin蛋白可介导噬菌体防御的单细胞分析。

尽管gasdermin系统能够有效防御噬菌体感染，但该团队发现当噬菌体浓度较高时，仍有一些噬菌体能够逃逸防御。通过对这些逃逸噬菌体的基因组进行分析，发现所有逃逸噬菌体都在其RIIB （已知可帮助噬菌体逃逸细菌的RexAB防御系统 【2】 ）基因中发生了突变。为验证RIIB蛋白是否能够直接激活gasdermin系统，他们将RIIB基因克隆到表达gasdermin系统的大肠杆菌中。结果显示，在没有噬菌体感染的情况下，RIIB与gasdermin系统的共表达导致了gasdermin的切割、聚集和膜损伤，相比之下，RIIB在CARD结构域被删除的系统中表达，不会引起细菌的上述变化，强调了噬菌体RIIB蛋白的表达足以触发防御系统将gasdermin加工成活性成孔蛋白。

值得注意的是，该团队通过序列和结构分析，还在29个细菌基因组中发现了类似的防御系统。 这些发现不仅为理解细菌与噬菌体之间的进化博弈提供了新的视角，还为研究细胞死亡机制的起源提供了重要线索。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08498-3

制版人：十一

参考文献

1. Johnson, A. G. et al. Bacterial gasdermins reveal an ancient mechanism of cell death. Science 375, 221–225 (2022).

2. Shinedling, S., Parma, D. & Gold, L. Wild-type bacteriophage T4 is restricted by the lambda rex genes. J. Virol. 61, 3790–3794 (1987).

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