Neobacillus vireti中II型SMC Wadjet复合体的结构解析揭示原核生物免疫系统新机制

本研究针对原核生物中Wadjet系统（SMC-based prokaryotic defense systems）的分子机制展开探索，通过冷冻电镜技术成功解析了Neobacillus vireti来源的II型Wadjet复合体（nvJET-II）结构，发现其具有无通道铰链（channel-less hinge）和串联KITE亚基（tandem KITE subunit）等独特特征。研究证实Wadjet-II与I型系统具有相似的质粒DNA选择性切割功能，但需要锰离子激活，为理解SMC复合体的进化与抗质粒防御机制提供了新见解。

　　

在微生物与入侵遗传元素的永恒军备竞赛中，原核生物进化出了精妙的防御系统。其中，Wadjet系统作为一类基于染色体结构维持蛋白（Structural Maintenance of Chromosomes, SMC）的免疫复合体，能够特异性识别并切割外源质粒DNA，却对宿主线性染色体"网开一面"。然而科学界对Wadjet系统的认知长期局限于I型（Wadjet-I），对其余两种类型（II型和III型）的结构与功能知之甚少。

这种认知空白带来诸多疑问：不同类型的Wadjet系统是否采用相同的作用机制？它们的结构差异如何影响抗质粒防御功能？这些问题的答案不仅关乎基础生物学认知，还可能为新型抗菌策略开发提供线索。瑞士洛桑大学（University of Lausanne）的Florian Roisné-Hamelin、Hon Wing Liu和Stephan Gruber团队在《Structure》发表的研究，通过解析II型Wadjet复合体的高分辨率结构，揭开了这一原核免疫系统的神秘面纱。

研究人员采用冷冻电镜单颗粒分析技术（cryo-EM SPA）获得6.8?分辨率的nvJET-II二聚体结构和3.4?分辨率的单体结构，结合AlphaFold2预测模型进行结构解析。通过体外重组系统验证其生化功能，采用ATP酶活性测定和DNA切割实验分析酶学特性，并利用人工环化DNA模型验证其拓扑结构识别机制。

Structure of a type II SMC Wadjet complex from Neobacillus vireti
研究发现nvJET-II二聚体呈现与MukBEF相似的平面排列方式，而非Wadjet-I的V形构象。其SMC亚基（nvJetC）的卷曲螺旋呈现独特的不对称分布：头-肘部（head-to-elbow）段（180?）明显短于肘-铰链段（230?），这种几何特征可能影响DNA环挤压（loop extrusion）的步进机制。

Cryo-EM analysis of nvJetABC
高分辨率结构揭示nvJET-II的铰链区缺乏中央通道（channel-less hinge），与Wadjet-I的环形铰链形成鲜明对比。这种结构差异暗示II型系统可能无法像I型那样绕过ssDNA障碍物，反映了抗防御机制驱动的进化适应。冷冻电镜密度图还捕捉到ATP酶头部存在类似ADP的电子密度，表明复合体处于静息状态。

Wadjet-II complexes contain a tandem KITE subunit
最引人注目的发现是nvJET-II含有串联KITE蛋白（tandem KITE subunit）——单个JetB亚基包含四个串联的翼状螺旋结构域（WHD-1至WHD-4），相当于其他SMC复合体中两个KITE蛋白的功能。FoldMason结构比对显示两个KITE叶（lobe）序列分化显著，提示基因复制后的功能特化。这种独特架构为研究KITE各结构域在DNA环挤压中的作用提供了理想模型。

DNA cleavage properties of nvJET-II
功能实验表明nvJET-II需要Mn²⁺（或高浓度Mg²⁺）才能有效切割环状DNA，切割位点随机且产生1-4nt的5'突出端。与Wadjet-I类似，它能特异性识别链霉亲和素环化的线性DNA，证实其通过DNA尺寸和拓扑结构（而非序列）区分"自我"与"非我"。值得注意的是，Wadjet-I和II的效应蛋白（JetD）不能交叉激活，暗示其激活依赖特异的蛋白-蛋白相互作用。

这项研究首次系统揭示了II型Wadjet系统的结构-功能关系，阐明了SMC复合体在抗质粒防御中的进化创新。串联KITE亚基的发现拓展了对SMC辅助蛋白的认知，而无通道铰链的结构特征为理解原核免疫系统与入侵遗传元素的"军备竞赛"提供了新视角。研究还建立了Wadjet系统功能分析的标准化流程，为开发针对多重耐药质粒的新型抗菌策略奠定基础。特别值得注意的是，Wadjet系统与真核生物Smc5/6的抗病毒功能存在惊人相似性，暗示SMC蛋白的免疫功能可能在生命进化早期就已出现。这些发现将推动对SMC复合体分子机制和进化起源的深入研究。