丝状化激活细菌 Avs5 抗病毒蛋白：解锁细菌免疫新机制

为探究 Avs5 防御系统机制，研究人员分析 EfAvs5，发现其丝状化激活抗病毒功能，意义重大。

　　在微观的细菌世界里，细菌与噬菌体之间无时无刻不在上演着一场激烈的 “战争”。噬菌体就像一群来势汹汹的侵略者，不断试图入侵细菌，而细菌为了生存，进化出了各种各样复杂的防御系统。其中，细菌抗病毒 STANDs（Avs）蛋白家族在这场 “战争” 中扮演着重要角色，它与广泛分布于动植物免疫系统中的核苷酸结合寡聚化结构域（NOD）样受体在进化上密切相关。

Avs5 作为 Avs 蛋白家族中的一员，含有 N 端 SIR2 效应结构域、NOD 结构域和 C 端传感器结构域，能够抵御多种噬菌体的入侵。然而，尽管 SIR2 和 STAND 在原核生物和真核生物的免疫过程中发挥着重要作用，但它们之间协同作用的机制却一直是个谜。为了揭开这个谜团，上海交通大学生命科学与生物技术学院微生物代谢国家重点实验室等机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员主要采用了冷冻电镜（cryo - EM）技术、生化分析方法等对 EfAvs5 进行研究。冷冻电镜技术可以让研究人员在接近天然状态下观察蛋白质的结构，而生化分析则有助于探究蛋白质的功能和作用机制。

研究结果如下：

1. EfAvs5 消耗 NAD⁺发挥防御作用：研究人员通过对表达 EfAvs5 的大肠杆菌进行实验，发现 EfAvs5 能够有效抵御噬菌体 T7 的感染。当 SIR2 活性位点发生单个氨基酸替换（N141A）、NOD 活性位点突变（如 K379A、D426A）或删除 C 端传感器结构域时，EfAvs5 的噬菌体防御功能会被废除。进一步研究发现，EfAvs5 在噬菌体感染后，会使细胞内的 NAD⁺浓度迅速下降，从而有效阻止噬菌体的扩增，实现群体水平的保护。但 EfAvs5 并非通过经典的流产感染（abi）机制（诱导细胞死亡或休眠）发挥作用，而是属于 “通过靶向细胞成分实现生存” 的防御类型，与 DSR1 系统类似。
2. EfAvs5 丝状组装结构：新鲜纯化的 EfAvs5 最初以可溶性单体形式存在，但储存一段时间后会形成丝状束。冷冻电镜结构显示，EfAvs5 丝状结构由 8 个分子组装成螺旋丝，其重复单元为具有 C₂对称性的二聚体。丝状结构的核心由 SIR2 和 NOD 组成，C 端传感器不参与螺旋接触。同时，研究发现丝状化能够激活 EfAvs5 的 NADase 活性，而未形成丝状的新鲜纯化 EfAvs5 则不具有该活性。
3. SIR2 和 NOD 依赖的丝状化：EfAvs5 二聚体的形成依赖于 SIR2 和 NOD 结构域之间的相互作用，这种相互作用涉及多个盐桥和氢键。研究人员通过引入突变体发现，破坏二聚体界面的突变会导致 EfAvs5 无法形成丝状结构，NADase 活性消失，同时抗病毒防御功能也被废除。此外，SIR2 和 NOD 结构域还分别主导形成了两个螺旋，共同促进了 EfAvs5 丝状结构的组装。
4. NADase 催化口袋：EfAvs5 的 SIR2 结构域与激活状态下的 ThsA 的 SIR2 结构域具有相似的构象，但调节 NADase 活性的机制不同。在 EfAvs5 中，较长的 α3 将活性口袋上方的环拉远，使得 NAD⁺能够更易接近活性位点。研究人员通过对与 NAD⁺相互作用的氨基酸进行突变研究，发现除了 N180A 和 Y202A 突变体外，其他突变体虽然能够正常表达且在储存后出现浑浊现象，但均不具有 NADase 活性。
5. ATP 抑制 EfAvs5 的 NADase 活性：EfAvs5 的 NOD 是一种 AA^AAA ATP 酶，属于新型 STAND NTPase 3 家族。尽管 EfAvs5 无论是单体还是丝状束都不具有 ATPase 活性，但 ATP 结合对其防御噬菌体至关重要。研究发现，ATP 能够非竞争性抑制 EfAvs5 的 NADase 活性，其他一些 NTP 和 dNTP 也具有类似的抑制作用。
6. 丝状束形成介导 EfAvs5 的抗噬菌体活性：EfAvs5 的丝状结构会进一步组装成束，这种组装依赖于 C 端传感器与相邻丝状结构中 N 端 SIR2 结构域之间的相互作用。删除 C 端传感器或突变相互作用界面的氨基酸会导致 EfAvs5 抗噬菌体活性丧失，表明丝状束形成对于 EfAvs5 的抗噬菌体功能至关重要。
7. EfAvs5 被噬菌体 T7 的 gp1.7 蛋白激活：研究人员通过一系列实验发现，噬菌体 T7 的 gp1.7 蛋白能够激活 EfAvs5。当 gp1.7 与 EfAvs5 共表达时，会诱导 EfAvs5 组装成丝状束，并激活其 NADase 活性，从而抑制细胞生长。而去除 EfAvs5 的 C 端传感器后，这种生长抑制现象会消失。

研究结论和讨论部分指出，研究人员通过对 EfAvs5 的研究，揭示了其通过丝状化激活 NADase 活性和实现抗噬菌体防御的独特机制。在没有噬菌体感染时，EfAvs5 以无活性的单体形式存在于细胞中；当噬菌体感染，尤其是 gp1.7 蛋白表达时，EfAvs5 会形成丝状束，SIR2 结构域转变为二聚体活性状态，迅速降解 NAD⁺，通过靶向细胞成分确保细菌生存，从而阻止噬菌体在细胞群体中的传播。

EfAvs5 的丝状组装结构与其他已报道的含 SIR2 的防御系统和 STAND 蛋白不同，其丝状化机制展现了细菌免疫的多样性。同时，研究还发现噬菌体来源的 gp1.7 蛋白是 EfAvs5 潜在的病原体相关分子模式（PAMP），这拓展了细菌 Avs 分子模式识别的多样性。然而，ATP 在调节 EfAvs5 活性中的复杂作用机制仍有待进一步研究。

这项研究为深入理解 Avs5 细菌免疫系统的分子机制提供了重要依据，也为开发新型抗菌策略和噬菌体防治方法奠定了理论基础，有助于人们在细菌与噬菌体的 “战争” 中找到更多的应对之策，在生命科学和医学领域具有重要的意义。