细菌八幡复合体执行 DNA 切割以抵御噬菌体的机制研究

在细菌与噬菌体的 “攻防战” 中，细菌如何防御噬菌体感染的机制尚未完全明晰。华中农业大学的研究人员对八幡（Hachiman）防御系统展开研究，发现 HamA 和 HamB 蛋白形成的复合体可通过 ATP 水解和 DNA 切割实现抗噬菌体防御，这为揭示细菌免疫机制提供了关键线索。

　　在微生物的世界里，细菌和噬菌体之间时刻上演着一场没有硝烟的 “战争”。噬菌体作为专门感染细菌的病毒，数量庞大，严重威胁着细菌的生存。为了在这场 “战争” 中存活下来，细菌进化出了多种防御机制。然而，尽管目前已经发现了众多细菌抗噬菌体系统，如 Thoeris、CBASS 等，但这些系统中包含核酸酶和螺旋酶结构域的防御系统，其分子机制仍有待充分探索。八幡（Hachiman）系统作为一种细菌防御系统，分布在约 4% 的细菌基因组中，涵盖近 2000 个物种，虽已知其具有广泛的抗噬菌体防御功能，但相关分子机制却并不完全清楚。在此背景下，华中农业大学的研究人员开展了对 Hachiman 系统的深入研究，相关成果发表在《Nature Communications》上，为揭示细菌的免疫机制提供了重要依据。

研究人员运用了多种关键技术方法来开展此项研究。其中，单颗粒冷冻电镜（cryo-EM）技术用于解析 HamA 和 HamB 蛋白复合体的结构；系统发育分析则基于大量 HamA 序列构建系统发育树，以探究 Hachiman 系统的分类和进化关系。

下面来看具体的研究结果：

• Hachiman 系统提供防御能力：研究人员将 HamAB 操纵子导入质粒，并在大肠杆菌中评估其对 50 种噬菌体的防御效果。实验表明，Hachiman 系统能对多种噬菌体提供 10 - 10,000 倍的保护，尤其对 Hanrivervirus 和 Warwickvirus 噬菌体防御效果显著。同时，通过不同感染复数（MOIs）实验发现，该系统通过流产感染策略发挥作用，即感染细胞在噬菌体子代成熟前死亡12。
• Hachiman 复合体的结构：利用 cryo-EM 技术，研究人员解析了 HamAB 复合体的结构，分辨率达到 3.1 ?。HamA 包含 N 端预测的核酸酶结构域（Cap4 核酸酶结构域）和 C 端 DUF1837 结构域，HamB 包含 N 端结构域、螺旋酶核心和 C 端螺旋结构域。二者形成稳定的异源二聚体，通过广泛的氢键和盐桥相互作用连接345。
• ATP 酶活性的关键作用：体外孔雀石绿实验表明，HamB 具有 ATP 酶活性，且在 52-bp 双链 DNA（dsDNA）作为底物时活性显著增强，HamA 与 HamB 结合形成的复合体 HamAB 的 ATP 酶活性比 HamB 单独存在时提高近十倍。同时，突变 HamB 的 ATP 结合位点会导致 ATP 酶活性完全丧失，表明 ATP 水解对 Hachiman 系统的活性至关重要678。
• HamAB 复合体的核酸酶活性：体外实验显示，HamA 单独存在时无核酸酶活性，而 HamAB 复合体可有效将 dsDNA 降解为小于 100 bp 的片段。HamA 的 N 端 Cap4 核酸酶结构域具有切割能力，但在全长蛋白中处于自我抑制状态。此外，HamAB 复合体的核酸酶功能依赖于 Mg²⁺、Co²⁺或 Zn²⁺9。
• DUF1837 结构域的功能：结构分析表明，DUF1837 结构域属于 PD-(D/E) XK 核酸酶家族。在 I-A 型 Hachiman 系统中，DUF1837 结构域包含所有保守的催化位点，对噬菌体防御至关重要；而在 I-B、I-C 和 I-D 型系统中，该结构域虽类似 PD-(D/E) XK 核酸酶，但缺乏催化位点，与其他结构域整合作为效应蛋白发挥作用1011。

研究结论和讨论部分指出，Hachiman 系统通过流产感染机制保护宿主细胞免受噬菌体感染。I-A 和 I-B 型 Hachiman 防御系统均具有广谱抗噬菌体功能，由具有 DNA 内切酶活性的 HamA 和 SF2 型螺旋酶 HamB 介导。HamA 和 HamB 单独存在时，分别不具有核酸酶和螺旋酶活性，但二者结合形成的 HamAB 复合体可通过 ATP 水解实现 DNA 解旋和降解。此外，研究还发现 I-A 和 I-B 型 Hachiman 系统在序列和结构上存在差异，这可能解释了它们的 ATP 酶活性由不同底物触发的原因。该研究揭示了 Hachiman 防御复合体的结构基础，突出了螺旋酶和核酸酶在原核生物免疫中的关键作用，为深入理解细菌的免疫机制提供了重要参考，也为进一步探索细菌与噬菌体的相互作用奠定了基础。