BREX系统抗噬菌体防御机制新发现：PglZ金属依赖性核酸酶与BrxB亚复合体的结构与功能解析

本研究揭示了Type I BREX系统抗噬菌体防御的核心机制，发现PglZ是一种金属依赖性核酸酶，能与BrxB形成稳定亚复合体。通过冷冻电镜和AlphaFold3建模解析复合体结构，证实PglZ可切割环状/线性寡核苷酸及噬菌体基因组，其核酸酶活性独立于BREX甲基化但参与防御。该研究为理解BREX系统"双功能"（甲基化与防御）机制提供新视角。

　　

在微生物与噬菌体持续数十亿年的军备竞赛中，细菌进化出了令人眼花缭乱的防御系统。除了广为人知的CRISPR和限制修饰系统，近年来发现的BREX（Bacteriophage Exclusion）系统因其广泛分布和独特机制备受关注。这种由4-8个蛋白组成的防御系统存在于近10%细菌和古菌中，能同时执行宿主基因组甲基化和噬菌体DNA限制双重功能。然而，其核心组分PglZ的功能一直是个谜团——这个与双组分信号系统PorX同源的蛋白，是否也具备降解环核苷酸的能力？它如何与其他BREX组件协作完成防御？这些问题的答案将填补抗噬噬菌体防御拼图的关键空缺。

来自英国杜伦大学、美国弗雷德哈钦森癌症研究中心等机构的研究团队在《Nucleic Acids Research》发表重要成果。研究人员通过冷冻电镜与AlphaFold3联合建模，首次解析了Salmonella Typhimurium BREX系统中PglZ与BrxB形成的亚复合体结构，发现PglZ是一种新型金属依赖性核酸酶。该酶不仅能切割cA6等环状核苷酸，还可非特异性降解质粒DNA和修饰/非修饰噬菌体基因组。令人惊讶的是，虽然核酸酶活性显著增强防御效果，但BREX系统的甲基化功能完全不受其影响。这一发现为理解BREX系统"双功能分离"机制提供了分子基础。

研究采用多学科技术手段：通过体内pull-down实验鉴定BREX蛋白互作网络；利用冷冻电镜（分辨率4.45 ?）与AlphaFold3预测构建PglZ:BrxB复合体模型；采用热迁移实验（TSA）和ICP-MS分析金属结合特性；运用HPLC和琼脂糖凝胶电泳系统检测核酸酶活性；最后通过PacBio测序和噬菌体效率平板（EOP）分析评估突变体表型。

BREX组件形成高阶复合体
通过Salmonella系统pull-down实验发现，His-Strep-BrxB能共纯化BrxC、PglX、PglZ和BrxL，其中PglZ含量最高。DUET载体共表达实验证实PglZ:BrxB是最稳定的亚复合体。

PglZ:BrxB复合体结构解析
冷冻电镜与AlphaFold3联合建模显示，BrxB以球状结构结合PglZ N端（1-96残基），而PglZ呈现"S"形构象。关键互作残基包括BrxB的R49/N135/W137和PglZ的K58/E62/D88。

金属依赖性酶活机制
ICP-MS显示锌是PglZ主要结合金属。突变分析证实T538和H741构成催化中心：T538A完全丧失活性，H741A保留部分切割能力但无法完成后续降解。

广谱核酸酶活性
PglZ可切割cA6、pApA等环状/线性寡核苷酸，并能非特异性切割超螺旋质粒（产生缺口和线性化产物）、ssDNA及修饰/非修饰噬菌体DNA（如含葡萄糖化羟甲基胞嘧啶的T4基因组）。ATP等核苷酸可抑制该活性。

生理功能验证
E. fergusonii突变体实验显示：破坏PglZ:BrxB互作（BrxB R46A/W135A）使防御效率降低10倍；敲除核酸酶活性（T538A/H741A）导致3个数量级防御下降，但甲基化功能完全保留。

这项研究首次阐明BREX系统通过"分工协作"实现防御与甲基化双功能：PglZ作为分子剪刀负责DNA切割，BrxB可能作为支架蛋白整合其他组件（如BrxL效应器）。特别值得注意的是，PglZ对修饰DNA（如T4基因组）的切割能力暗示BREX可能存在未知的修饰识别机制。该发现不仅丰富了抗噬菌体防御的理论框架，其独特的金属依赖切割机制更为开发新型核酸工具酶提供了灵感。未来研究将聚焦于解析完整BREX复合体结构，以及PglZ活性在感染过程中的动态调控机制。